Stellung des Experimentes im Rahmen tektonischer Forschung

Zusammenfassung Die Genese tektonischer Strukturen ist nicht direkt beobachtbar. Unsere einzige Arbeitsgrundlage sind die Spuren der Deformation im Fels, also das tektonische Gefüge. Im Gegensatz zu den meisten anderen naturwissenschaftlichen und technischen Fächern ist in der Tektonik ein Vergleich der Vorgänge im Experiment mit denen im Objekt im allgemeinen nicht möglich. Hieraus erklärt sich, daß das Experiment in der Tektonik bisher nur eine geringe Bedeutung erlangt hat. Jede tektonische Deutung ist aber ein Analogieschluß, bei dem Erfahrungen aus dem täglichen Leben oder die anderer Naturwissenschaften eingesetzt werden. Dieses Vorgehen muß durch ein exakteres, nämlich durch den Einsatz gezielter Experimente, abgelöst werden.Da aus dem obengenannten Grunde die Rückkopplung zwischen Experiment und Natur nur unvollkommen durchzuführen ist, besteht der Sinn tektonischer Experimente nicht darin, eine bestimmte natürliche Struktur nachzubilden, sondern darin, die Reaktionsmöglichkeiten von Festkörpern bei Deformation kennenzulernen. Experimente und Naturbeobachtung zeigen, daß es nur eine begrenzte Zahl von Reaktionsarten festen Materials bei Deformationen gibt. Diese Reaktionsarten unterscheiden sich nach der Art der Gefügeelemente, die bei der Deformation ausgebildet werden (Abb. 1). Bei den hier besprochenen Gefügeelementen handelt es sich um Trennbrüche (Spalten), Verschiebungsbrüche, Knickzonen und Normalfalten. Die Faltenachsenfläche der Knickzonen liegt einer Ebene größter Scherung etwa parallel, die der Normalfalten senkrecht zur Richtung größter Einengung.Die einzelnen Gefügeelemente treten in verschiedenen räumlichen Anordnungen auf, die als Gefügetypen bezeichnet werden. Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf Gefügetypen mit rhombischer und monokliner Symmetrie.Die Abb. 1 stellt einen Ausschnitt aus einem System der Gefügetypen dar, in dem die einzelnen Gefügetypen entsprechend ihrer gegenseitigen Verwandtschaft angeordnet sind. Dieses System erlaubt es uns, die bisherigen tektonischen Experimente zu ordnen und auf Lücken unserer experimentellen Erfahrung hinzuweisen.

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Because the formation of tectonic structures cannot be observed directly, the study of such structures is restricted to an investigation of the traces of deformation within the rock itself, i.e. the tectonic fabric. In contrast to most other fields of research in science and technology the study of tectonics does not allow a direct comparison between experimental and natural processes, and for this reason, experimentation has until now played only a minor role in tectonic research. All tectonic interpretations, however, are based on analogies with observations made in everyday life or phenomena in related scientific fields. Clearly this procedure should be replaced by more accurate methods, which include objective experiments.Since the link between experiment and nature is at best incomplete, the goal of tectonic experimentation is not to simulate specific natural structures, but to investigate the different ways by which solids may react to deformations. Experiments and observations show that solid material may undergo only a limited number of such reactions. These reactions differ due to the form of fabric elements formed during deformation (Fig. 1).The discussion below is restricted to the following fabric elements: tension fissures, faults, kink-bands, and normal folds. The axial plane of kink-bands nearly parallels the plane of maximum shearing strain. The axial plane of normal folds is normal to the direction of maximum shortening.The various fabric elements are found in different spatial arrangements called fabric types. The discussion below is restricted to fabric types with orthorhombic and monoclinic symmetry.Fig. 1 illustrates part of a fabric type system in which the different fabric types are arranged according to their reciprocal relationship. This system allows the ordering of previous tectonic experiments and indicates the gaps in our experimental knowledge.

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Résumé La genèse des structures tectoniques n'est pas directement observable. Nos seules bases de travail sont les traces de la déformation dans les roches, autrement dit la texture tectonique. A l'opposé de la plupart des autres branches des sciences naturelles et des branches techniques, on ne peut généralement pas comparer, en tectonique, les processus fournis par l'expérimentation avec ceux qui en font l'objet. Ce qui explique que jusqu'à présent, l'expérimentation en tectonique n'a eu qu'une portée médiocre. Chaque interprétation tectonique est en fait liée à une finalité analogique tirée de comportements dans la vie quotidienne ou dans d'autres sciences naturelles. Ce procédé doit faire place à un autre, plus exact, principalement par la mise en oeuvre d'expériences bien orientées.Comme, pour les raisons citées plus haut, le couplage entre l'expérimentation et la nature ne peut être réalisé que de façon imparfaite, il faut que le sens de l'expérimentation tectonique consiste, non pas à reproduire une structure naturelle donnée, mais à reconnaître quelles sont les possibilités de réaction des corps solides à la déformation. L'expérimentation et l'observation de la nature montrent que les modalités réactionelles des matériaux solides vis-à-vis de la déformation existent seulement en nombre limité. Ces modalités différent selon les éléments structuraux impliqués dans la déformation. Les éléments texturaux discutés ici sont les fissures, les plans de glissement, les zones en chevron et les plis normaux. Le plan axial des zones en chevrons es parallèle à un plan de fort cisaillement; celui des plis normaux est perpendiculaire à la direction de plus grand resserrement.Chacun des éléments texturaux répond à différentes dispositions spatiales dont la signification est celle de types texturaux. Les déductions qui suivent se limitent à des types texturaux à symétrie rhombique et monoclinique.La fig. 1 représente une coupe dans un système de types texturaux dans lequel chacun de ceux-ci a été rangé conformément à leur parenté réciproque. Ce système nous permet de mettre de l'ordre dans les expériences tectoniques poursuivies jusqu'à ce jour, et de mettre en évidence les lacunes dans notre pratique expérimentale.

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Aus dem SFB 77 - Felsmechanik - Karlsruhe.

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Die Untersuchungen über Gefügetypen im Gelände und im Experiment wurden dankenswerterweise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, seit 1970 im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Felsmechanik, unterstützt. Meinen Mitarbeitern, Herrn Dipl.-Phys. H.Mischke, Herrn Dipl.-Ing.Klaus Müller und Herrn Dr. G.Schäfer danke ich für ihre Hilfe bei der Abfassung des Manuskriptes.     

Diagnostic features of spherulites formed by splitting of a single-crystal nucleus. Growth mechanism of chalcedony

Summary Three different growth mechanisms: (1) crystallization of a spherical gel mass, (2) growth from a single centre to all directions, and (3) splitting of the crystals lead to the same result—to the formation of a spherulite (a spherical aggregate with a radial structure). The present paper is concerned with finding diagnostic features of spherulites formed by continuous splitting of the crystals.The mechanism under consideration is based on the deflection of the outer portion of the crystal, when free adjacent space is available. It manifests itself in the initial forms of spherulites, when the growing surface of the spherulite is mechanically blocked, or when different parts of the spherulite grow at different rates. A number of consequences such as the occurrence of very thin (molecular) fibres of constant thickness along their length, and the perfectly smooth and bright surface of the spherulite are shown to be compatible with the discussed model only. Additional diagnostic properties such as helicoidal twisting have been found by analogy with synthetic spherulites.On the basis of the above diagnostic features it is shown that chalcedony, the classical metacolloid, forms as a result of continuous crystal splitting.

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Particularités diagnostiques des sphérulites formées par ramification d'un germe monocristal. Mécanisme de croissance de calcédoine

Résumé Trois mécanismes différents de croissance, c'est-à-dire (1) la cristallisation d'une masse sphérique de gel, (2) la croissance à partir d'une centre unique dans toute les directions ainsi que (3) la ramification des cristaux mènent au même résultat—à la formation d'une sphérulite (aggrégat sphérique à structure radiale). Le but du présent travail est de trouver les particularités diagnostiques des sphérulites formées par ramification continue des cristaux.Le mécanisme discuté est basé sur la déflection des parties superficielles du cristal, lorsque l'espace adjacent est libre. Il se manifeste dans les formes initiales des sphérulites, lorsque la surface en voie de croissance est mécaniquement bloquée, ou bien lorsque les différentes parties du cristal croissent à des vitesses différentes. Certaines conséquences telles que l'existence de fibres extrêmement minces («moléculaires») dont l'épaisseur est constante suivant leur longueur, ainsi que la surface parfaitement lisse et brillante des sphérulites sont compatibles uniquement avec ce modèle. Certaines autres propriétés telles que la torsion hélicoidale des fibres ont été mises en évidence par analogie avec les sphérulites de synthèse.Sur la base de ces particularités diagnostiques on démontre que le calcédoine, le «métacolloide classique», se forme par ramification continue des cristaux.

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With 12 Figures     

Strontium und Barium in Schöckelkalk (Steiermark)

Zusammenfassung Aus drei im sogenannten Grazer Paläozoikum räumlich getrennt auftretenden Schöckelkalkvorkommen (fragliches Mitteldevon) wurden Probenprofile (28 Proben) entnommen und auf ihren Strontium- und Bariumgehalt hin untersucht. Sr schwankt zwischen 91–314 ppm (Mittel: 184 ppm), Ba zwischen 139–260 ppm (Mittel: 191 ppm) in Abhängigkeit von der Lage im Profil. Es werden die Probenhorizonte der drei Vorkommen hinsichtlich ihres Spurengehaltes miteinander verglichen, wobei sich sehr gute Übereinstimmungen über Gesamtmächtigkeiten von mehreren hundert Metern ergeben. Mit Hilfe der Spurengehalte ist es auch möglich, invers gelagerte Schichten als solche zu erkennen.

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Strontium and barium in Schoeckel-limestone (styria)

Summary From three separate occurrences of (middle-?) Devonian Schoeckellimestone in the socalled Paleozoicum of Graz samples have been taken perpendicular to the direction of the strike and their strontium- and barium-contents have been determined. In dependence of the position in the profile the Sr-contents vary from 91 to 314 ppm (mean-value: 184 ppm), the Ba-contents vary from 139 to 260 ppm (mean-value: 191 ppm). The sample-horizons of the three occurrences of Schoeckel-limestone are compared with regard to their concentration of trace-elements and there exists very good agreement along a thickness of some hundred meters. Using the trace-element concentration it is also possible to detect stratas in reverse position.

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Mit 3 Abbildungen     

Analysen orogener und kratonischer Strukturen aus der Tiefenzone

Zusammenfassung Die Resultate detaillierter struktureller Analysen aus zwei Schlüsselgebieten Westgrönlands werden im Lichte neuer Altersbestimmungen besprochen. Kenntnisse der petrologischen Entwicklung der datierten Gesteine werden ebenfalls einbezogen bei der Aufstellung neuüberprüfter tekto-chronologischer Modelle. Diese Untersuchungen scheinen zu zeigen, daß selbst die allerältesten Gesteins-Komplexe (3100 M. J.) alpinotype Strukturen aufweisen und daß sie ihre strukturelle Komplexität dem Einfluß konsekutiver Orogenesen verdanken. Resultate neuerer Geländearbeiten in Südostnorwegen mögen zu einem tieferen Verständnis orogener und kratogener Begebenheiten, die während plutonischer Bedingungen stattfinden, beitragen.

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The results of detailed structural analyses of two key areas in Westgreenland are discussed in relation to recent age determination work. Knowledge on the petrologic evolution of the dated rocks is also used in an attempt to establish revised geotectochronologic models. These studies tend to show that even the oldest rock complexes (3100 m. y.) display alpinotype structures, and that they owe their structural complexity to the influence of consecutive orogenies. Results from recent field studies in Southeastern Norway may be of importance in helping to distangle orogenic and cratonic events which took place under plutonic conditions.

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Résumé Les résultats d'analyses structurales détaillées de deux régions clef dans l'Ouest Groenland, sont examinés en relation avec des récentes déterminations d'âge. L'évolution pétrologique des roches datées est aussi employée pour essayer d'établir de nouvelles maquettes géotecto-chronologiques. Ces études montrent que même les roches les plus anciennes (3100 m. a.) possèdent des structures de type «Alpin», et qu'elles doivent leur complexité structurale à l'influence d'orogénies consécutives. Les résultats des travaux de terrain récents, dans le Sud-Est de la Norvège, pourraient être importants pour aider à sérarer les événements orogéniques et cratogènes ayant eu lieu sous des conditions «plutoniques».

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Herrn LektorMartin Ghisler danke ich für die Überarbeitung des deutschen Textes.     

Mineralbestand und petrographische Kennzeichnung der dem variskischen Fichtelgebirgsgranit vorgelagerten Granitstöcke Reut bei Gefrees,Waldstein (mit Epprechtstein) und Kornberg

Zusammenfassung Die vorliegende Untersuchung konzentriert sich auf die drei kleinen Granitstöcke vom Kornberg, Waldstein (mit Epprechtstein) und Gefreeser Wald, die dem großen, hufeisenförmig erodierten Fichtelgebirgs-Granitkörper vorgelagert sind.Auf Grund thermometamorpher Kontakterscheinungen (Chiastolithschiefer Bei Gottmannsberg) sowie der kontaktmetamorph überprägten (altvariskisch-regionalmetamorphen) Glimmerschiefer und-quarzite (Reinersreuth, Kleiner Kornberg) geht der Intrusivcharakter dieser variskisch eingedrungenen Granite des nordwestlichen Fichtelgebirges eindeutig hervor.Im hohen Niveau des Dachbereiches der Reut wurden im Verlauf der Platznahme reichlich Hornfelsschollen des Rahmens aufgenommen. Dabei erfolgte durch mehr oder minder starke Assimilation des Nebengesteins in situ eine Veränderung der granitischen zu granodioritischer Schmelze. Rasche Abkühlung in Dachnähe führte zu kleinkörniger Textur.Im tieferen Niveau eines mittleren Stockwerks von Waldstein und Kornberg (mit abgetragener Rahmenüberdeckung) ist die Beeinflussung des intrudierenden Granitmagmas an eindeutigen Relikten und durch eine allgemeine Inhomogenität (Quarzknauern, Quarz-Biotit-Knollen, Biotit-Granat-Verschlierungen, Zirkonaltbestand) zu erkennen. Sie geben Hinweise auf Syntexis von Si-reichen Glimmerquarziten und K-, Al-, Mg-, Fe-, OH-haltigen Glimmerschiefern, deren hoher Wassergehalt die Schmelze für interne Bewegungsvorgänge noch mobiler machte. Die durch Syntexis und Differentiation saurer gewordene Schmelze (Auftreten von Pegmapliten) konnte langsamer und daher grobkörniger erstarren.

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Mineralogical composition and petrographic characterization of the granite bodies of Reut near Gefrees, Waldstein (with Epprechtstein) and Kornberg, situated NW of the Varistic Fichtelgebirge-granite

Summary The present investigation is concerned with three small magmatic bodies of Kornberg, Waldstein (incl. Epprechtstein) and Gefreeser Wald/NE-Bavaria, W-Germany; these granitic diapirs lie northwest of the great horseshoe shaped Fichtelgebirge-granite.The intrusive character of those Varistic granites is evidenced by the contact-metamorphic chiastolith-schists of Gottmannsberg as well as the contaminated micaceous schists and-quartzites near Reinersreuth and Kl. Kornberg.During emplacement the magma in situ differentiated from granitic to granodioritic by assimilation of wall rocks in the top of the magmatic chamber (Reut). Rapid cooling led to a fine-grained structure.In the deeper parts of an intermediate complex of Waldstein and Kornberg (from which the covering had been eroded) the influence of the intruding, contaminating and assimilating granitic magma is commonly marked by inhomogenity, especially relict structures (mortar quartzes, quartz-biotitenodules, biotite-garnet-streaks, metamorphic zircons). These relicts and reactions give evidence of the syntexis of Si-rich micaquartzites and K-, Al-, Mg-, Fe-, OH-bearing micaschists of Ordovician age. The higher water content of the melt increased the mobility of internal movements and convections. The resulting granitic melt, having become more acid due to syntexis and differentiation (appearance of pegmaplites), was able to cool more slowly, leading to the formation of normal coarse-grained granites.

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Mit 11 Abbildungen     

Mathematische Simulation ptygmatischer Strukturen

Zusammenfassung Die Entstehung der Schlingen in den südlichen Ötztaler Alpen (Ostalpen) wurde bisher überwiegend auf äußere Spannungsfelder zurückgeführt. Damit waren die Faltenstrukturen in diesem Gebiet durch Biege- und Biege-Scher-Faltung hinreichend erklärbar. Bei Berücksichtigung der hohen Teilbeweglichkeit des Gesteins während der Schlingenbildung muß ein anderer Faltungsmechanismus angenommen werden. Es wird versucht, die Faltenstrukturen als Ergebnis eines Fließvorgangs in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeitsverteilung zu erklären. Unter Benutzung eines vonHarburgh &Bonham-Carter entwickelten Programms und bei Vorgabe verschiedener Randbedingungen werden Strombilder simuliert und vom Plotter in Geschwindigkeits-Vektor-Darstellung ausgegeben. Die Ergebnisse werden im Gelände beobachteten Strukturen und im Experiment erzeugten Bildern gegenübergestellt. Die gute Übereinstimmung kann als Hinweis auf die Entstehung ptygmatischer Strukturen durch interne Geschwindigkeitsverteilung angesehen werden.

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Until now the formation of vortex structures in the southern Oetztal Alps (Eastern Alps) has been regarded as the result of external stresses, allowing adequately to explain the structures as flexural and passive folds. Taking into consideration the high ductility of rocks during vortex formation another mechanism of folding has to be assumed. The attempt is made to explain the structures as the result of flowage due to a velocity distribution. Using a programm written byHarburgh &Bonham-Carter arrays of stream lines are calculated for varying boundary conditions and plotted as velocity vectors. The output will be compared with structures observed in the field as well as with results of folding experiments. From the good agreement follows that ptygmatic folding may be due to an internal velocity distribution.

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Résumé La genèse des »Schlingen« dans la partie méridionale des Alpes de l'Oetztal (Alpes orientales) a été jusqu'à présent rapportée principalement à des contraintes extérieures. Les structures plissées ont été dès lors expliquées dans cette région comme plis de ploiement et plis semblables. Si on considère la grande plasticité des roches lors du plissement, on doit admettre un autre mécanisme de plissement. Les auteurs essaient d'expliquer les structures plissées comme le résultat d'un processus d'écoulement qui dépendrait de la répartition des vitesses. Utilisant un programme établi parHarburgh &Bonham-Carter et présentant diverses conditions marginales, ils obtiennent par simulation des figures d'écoulement figurées comme vitesses vectorielles. Ces résultats sont des structures observées sur le terrain; ils sont confrontés aux figures produites lors des essais expérimentaux. La bonne concordance indique qu'on peut envisager les structures ptygmatiques comme résultant de la répartition interne des vitesses.

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Ötz ( ) , , . , - . . . Harbburch' Bonham-Carter'o , , . . , , .

     

Statistical chemistry of calcic amphiboles

Principal components analysis is used to study the chemistry of 639 calcic amphiboles. Eigenvectors representing multiple partial correlation coefficients give various sets of substitutional relationships. The relative significance of each set can be noted by the percent variation of the data it represents. The highest percent variation (36%) is associated with the substitutions $$Si + Mg \rightleftharpoons Al^{IV} + Al^{VI} + Ti + Fe^{3 + } + Fe^{2 + } + Na + K$$ . Other expected substitutions among the ions such as Al^IV + Na ? Si, the positive correlation between Al^IV and Al^VI etc. are shown statistically. The substitution of Al in T ₁ and T ₂ positions imposes an ordering in the M ₁, M ₂ and M ₃ sites. Variability of OH in the amphiboles is found to be significant. There is no definite correlation between OH and Fe³⁺ but OH and Ti are positively correlated. Under certain conditions and provided the concentration of Al^IV does not change significantly, Fe and Mg may be assumed to mix ideally in the amphibole solid solution.     

Die Strukturgeschichte der Zentralsahara

The author has investigated paleogeographic and structural problems in the middle part of the Sahara desert since 1959. Detailed studies of thickness changes, of disconformities and unconformities and of structural events resulted in the definition of the different tectonical eras and their individual paleogeographic elements. The middle part of North Africa is characterized by three major periods of structural development:

1. Folding and consolidation in Precambrian time.
2. Formation of NW to NNW striking horsts during Cambrian time, which became the core of uplifts (separated by troughs) in Silurian and Devonian time. This structural relief of the early Paleozoic era possibly is the result of regional stretch in NE-SW direction.
3. Formation of uplifts and troughs striking NE during late Paleozoic and Mesozoic time. Blockfaulting occurred along the edge of some uplifts during Jurassic time or at the Jurassic-Cretaceous transition. These movements were the result of regional compression from SE toward NW. The formation of this large scale undulation of the earth's crust coincides with the separation of the Sahara platform from the so-called Tethys (geosynclinal area in NW Africa, the Mediterranean and parts of Asia). This separation most probably began in Northwest Africa during late Carboniferous or early Permian time, it reached Northeastern Libya in Jurassic time. The Sirte grabens were formed as the result of east-west shearing movements, during Upper Cretaceous. Finally, in late Tertiary to Pleistocene time, volcanic activity formed large basalt plateaus. Volcanism occurs mainly along well defined old structural elements.

The results of this analysis were used to interpret structural aspects of larger parts of Africa. The structural relief of the early Paleozoic Era seems to extend far southeast into areas of the old African shield indicating that there is no principal structural difference between the shield and the Sahara platform. The orientation of the late Paleozoic to Mesozoic large scale undulation indicates that the reason for the SE-NW compression is the rotation tendency of Africa which began in late Carboniferous time and culminated during the Tertiary, when Africa was separated from Asia along the Red Sea graben. At approximately the same time, the Atlas area of Northwest Africa was folded.     

Die großen Gräben: Harmonische Strukturen in einer disharmonisch struierten Erdkruste

A system of intracontinental grabens extends over Western Europe, the Levant and East Africa. Small crustal segments framed by elevated shoulders are sunken along parallel escarpments and disintegrated by antithetic normal faults. The shoulders are risen up as outward tilted blocks and thought to form a closed vault at the base of the crust, corresponding to the wedge block of the graben. Underneath the Rhinegraben exists, as detected by seismic refraction measurements, a pillow-shaped body of material with P-wave velocities of 7.4 to 7.9 km/sec, intercalated between crust and mantle. The taphrogenesis of all larger grabens is assumed to be induced by the formation and growth of subcrustal swells of this type. Also the specific graben volcanism is thought to be connected with the intruded laccolithic body of mantle-derived material. The tensional breakup and the faulting of the warped crustal masses was favoured by the gravity slide of the crust which was uncoupled from the substratum by the intercalated magmatic layer. Along the Red Sea Rift the crust tore completely releasing the basaltic substratum in the inner graben. The pattern of its magnetic anomalies leads to the assumption that the pillow body is recruited by simatic dike injections according to the principle of sea-floor spreading. Therefore, there is a great conformity between the intercontinental and the mid-oceanic rift systems. The supplies of mantle material along the Mid-Atlantic and the Carlsberg Rift are related to the drift of the continental frames. The mid-oceanic rift systems in their medial position to the framing continental margins correspond to the intracontinental graben swarm, equidistant from both fronts of circum-Pacific tectonics. A reciprocating action is presumed between the ascending masses along the rift zones and the suction of masses along the deep-sea trenches and geosynclines. The observed crustal movements imply an equilibrant plastic flow within the upper mantle, probably impelled by mechanical convection currents. The continental unbalance between the Pacific and the anti-Pacific hemisphere is discussed as causing mantle currents. Within this interplay between crust and mantle and between continents and ocean floors, the oceanic crust had obtained harmonical features moulded directly by the deduced mobility. The continental crust, however, is passively stressed, its rocks are affected by heterogeneous deformations from which the continents got its polygenetic multiform fabric.