Polymodal faulting, which comprises three or more coeval fault sets, has been documented from centimeter to kilometer scale in nature. Differing from previously well-known conjugate, or bimodal, fault patterns under biaxial or plane strain, the polymodal faulting phenomenon is considered to represent triaxial deformation or strain (e.g., constriction and flattening strain). Triaxial tectonic regimes can take place variably in obliquely divergent, transcurrent, and convergent settings, allowing the coeval existence of different tectonic regimes (e.g., thrust, strike-slip, and normal faulting). The classical and widely accepted Mohr-Coulomb failure criterion can predict the orientation of conjugate fault planes parallel to (i.e., contain) the direction of the intermediate stress under plane strain, whereas polymodal fault patterns forming under triaxial deformation cannot be explained with fault orientations oblique to the direction of the intermediate principal stress (σ2). Aiming to understand the evolution, geometry, and kinematics of polymodal faults, I use 3D scaled analogue and numerical modelling to generate triaxial strain fields under variable initial and boundary conditions to decode the mechanisms and mechanics of triaxial deformation. In the first step, I primarily investigate how rheology and strain rate control deformation localization, faulting regime, and pattern in brittle‐viscous crustal‐scale models under constriction strain. I perform triaxial analog experiments by varying strain rates (or extension velocity), where distributed longitudinal extension resulting in crustal thinning is accompanied by lateral shortening. I found the structural style of faults and the degree of localization as a function of strain rate. As strain rate (ė) decreases, (1) fault patterns change from conjugate sets of strike‐slip faults (ė > 3 × 10⁻⁴ s⁻¹) to sets of parallel oblique normal faults (ė = 0.3–3 × 10⁻⁴ s⁻¹) to horst‐and‐ graben system (ė < 0.3 × 10⁻⁴ s⁻¹); (2) The strain localization increases systematically and gradually. The former change in fault pattern is interpreted to be affected by the strain rate dependency of vertical coupling between the model upper crust and upper mantle, which controls spontaneous switching of principal stress axes. The latter change in strain localization is controlled by mechanical coupling between the upper and lower crust. Furthermore, many extensional systems often experience multiple phases of deformation; however, the spatial and temporal evolution of fault networks during triaxial and biaxial strain is still poorly understood. Benefiting from the first part of the work, which identifies the change in strain conditions from constriction to plane strain over strain rate, I also use a scaled analogue model to investigate fault geometry and activity across multiple phases of triaxial (constrictional) and biaxial (plane) strain by changing extension velocity to obtain time-dependent kinematic strain conditions. Our modelling results show that (1) when shifting from plane to constrictional strain, earlier developed normal faults are completely reactivated and new conjugate sets of oblique-slip faults form during the constrictional phase; (2) when shifting from constrictional to plane strain, conjugate sets of oblique-slip faults forming during constrictional strain are randomly abandoned or reactivated. New normal faults developed during plane strain cut across and link up earlier-phase faults. Kinematic interactions of fault networks between multiphase strains are identified by observing how perturbations in stress/strain domains control the geometry of new faults and mechanical obstacles hinder fault propagation. I further explore the relationship between principal stresses and polymodal fault orientation by means of 3D scaled numerical modelling. Our models demonstrate that triaxial deformation can be accommodated by the simultaneous development of faults with different trends and partitioned into one more faulting regime. Additionally, our models can explain fault distribution with respect to the principal stress. The modelling results show good similarity with the natural prototypes at various backgrounds. In regions under a constrictional deformation field, for example, Tibet, Anatolia, and the Friulian-Venetian basin, as well as in regions under a flattening strain, for example, northern Tibet and the Barents Sea, our modelling results provide new implications for fault geometry, fault kinematics, and stress distribution. Moreover, our models with multiphase triaxial and biaxial strain can re-interpret tectonic evolution in the Aegean and Barents Seas.
Polymodale Verwerfung, die aus drei oder mehr gleichzeitig aktiven Verwerfungssätzen besteht, ist in der Natur auf Skalen von Zentimetern bis Kilometer dokumentiert worden. Im Gegensatz zu den bekannten konjugierten oder bimodalen Verwerfungsmustern unter biaxialer oder ebenen Deformation wird das Phänomen der polymodalen Verwerfung als Ausdruck triaxialer Deformation oder Dehnungszustände (z. B. Streckung und Abplattung) betrachtet. Triaxiale tektonische Regime können in unterschiedlichen geologischen Umgebungen wie schräg divergierenden, transkurrenten oder konvergenten Zonen auftreten, was das gleichzeitige Auftreten verschiedener tektonischer Regime (z. B. Überschiebungen, Seitenverschiebungen und Abschiebungen) ermöglicht. Das klassische und weit akzeptierte Mohr-Coulomb-Bruchkriterium kann die Orientierung konjugierter Verwerfungsflächen vorhersagen, die parallel zur Richtung der intermediären Spannung (σ2) liegen. Polymodale Verwerfungsmuster, die unter triaxialer Deformation entstehen, können jedoch nicht mit Verwerfungsorientierungen erklärt werden, die schräg zur intermediären Hauptspannung liegen. Mit dem Ziel, die Entwicklung, Geometrie und Kinematik polymodaler Verwerfungen zu verstehen, verwende ich 3D-analoge und numerische Modellierungen im Labormaßstab, um triaxiale Deformationsfelder unter variablen Anfangs- und Randbedingungen zu erzeugen und die Mechanismen sowie die Mechanik triaxialer Deformation zu entschlüsseln. Im ersten Schritt untersuche ich hauptsächlich, wie Rheologie und Dehnungsrate die Lokalisierung der Deformation, das Verwerfungsregime und -muster in spröde-viskosen, krustalen Modellen unter Streckungsdeformation kontrollieren. Ich führe triaxiale Analogexperimente mit variierenden Dehnungsraten (bzw. Extensionsgeschwindigkeit) durch, wobei eine verteilte longitudinale Dehnung zur Krustenverdünnung gleichzeitig mit lateraler Verkürzung auftritt. Ich fand heraus, dass der strukturelle Stil der Verwerfungen und das Maß der Lokalisierung von der Dehnungsrate abhängen. Mit abnehmender Dehnungsrate (ė) ändern sich (1) die Verwerfungsmuster von konjugierten Sätzen von Seitenverschiebungen (ė > 3 × 10⁻⁴ s⁻¹) zu parallelen Sätzen schräger Abschiebungen (ė = 0,3–3 × 10⁻⁴ s⁻¹) bis hin zu Horst-und-Graben-Systemen (ė < 0,3 × 10⁻⁴ s⁻¹); (2) Die Deformationslokalisierung nimmt systematisch und allmählich zu. Die erste Veränderung des Verwerfungsmusters wird als Folge der von der Dehnungsrate abhängigen vertikalen Kopplung zwischen oberer Kruste und oberem Mantel interpretiert, welche die spontane Umorientierung der Hauptspannungsachsen steuert. Die zweite Veränderung der Lokalisierung wird durch die mechanische Kopplung zwischen oberer und unterer Kruste beeinflusst. Da viele extensionale Systeme mehrere Deformationsphasen durchlaufen, ist die räumlich-zeitliche Entwicklung von Verwerfungsnetzwerken während triaxialer und biaxialer Dehnung noch wenig verstanden. Aufbauend auf den Ergebnissen des ersten Teils, die eine Veränderung der Dehnungsbedingungen von Streckung zu ebenen Dehnungen in Abhängigkeit der Dehnungsrate aufzeigen, nutze ich ein skaliertes Analogmodell zur Untersuchung der Geometrie und Aktivität von Verwerfungen über mehrere Phasen triaxialer (streckender) und biaxialer (ebener) Deformation, wobei die Extensionsgeschwindigkeit geändert wird, um zeitlich variierende kinematische Dehnungsbedingungen zu simulieren. Unsere Modellergebnisse zeigen, dass (1) beim Übergang von ebener zu streckender Dehnung zuvor entwickelte Abschiebungen vollständig reaktiviert und neue konjugierte Sätze von Schrägverschiebungen gebildet werden; (2) beim Übergang von Streckung zu ebener Dehnung konjugierte Sätze schräger Verwerfungen entweder zufällig aufgegeben oder reaktiviert werden. Neue Abschiebungen, die während der ebenen Dehnung entstehen, durchschneiden und verbinden ältere Verwerfungen. Kinematische Wechselwirkungen zwischen Verwerfungsnetzwerken über mehrere Deformationsphasen hinweg werden durch Beobachtung von Spannungs-/Dehnungsstörungen erkannt, die die Geometrie neuer Verwerfungen kontrollieren, sowie durch mechanische Hindernisse, die die Ausbreitung von Verwerfungen hemmen. Ich untersuche auch die Beziehung zwischen Hauptspannungen und der Orientierung polymodaler Verwerfungen mittels 3D-skalierten numerischen Modellen. Unsere Modelle zeigen, dass triaxiale Deformation durch die gleichzeitige Entwicklung von Verwerfungen mit unterschiedlichen Orientierungen aufgenommen werden kann, die sich auf mehrere Verwerfungsregime aufteilen lassen. Darüber hinaus können unsere Modelle die Verteilung der Verwerfungen in Bezug auf die Hauptspannungen erklären. Die Modellergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit natürlichen Vorbildern in verschiedenen geologischen Umgebungen. In Regionen mit streckender Deformation, wie etwa in Tibet, Anatolien und dem Friaulisch-Venetischen Becken, sowie in Regionen mit Abplattungsdehnung, wie Nordtibet und der Barentssee, liefern unsere Modelle neue Erkenntnisse zu Verwerfungsgeometrie, -kinematik und Spannungsverteilung. Darüber hinaus ermöglichen unsere Modelle mit mehrphasiger triaxialer und biaxialer Deformation eine neue Interpretation der tektonischen Entwicklung in der Ägäis und der Barentssee.
