The San Gabriel Fault:  A Summary of its Structural History and Neotectonics 

Eldon Gath — Earth Consultants International, 1642 E. 4th St., Santa Ana, CA 92701 

Structural History 

The San Gabriel fault is a major right‐lateral strike slip fault that has played a long and complex role in the structural development of southern California.  It extends about 140 km, arcing through the San Gabriel Mountains, terminating near the San Andreas fault in Tejon Pass and near the San Andreas fault in Cajon Pass (Figure 1).  The fault trends approximately east‐west along its eastern trace north of the San Gabriel Valley, bending to more  northwesterly  through  the  Castaic  region.    From  the  north,  the  fault  trends generally  NW‐SE  to  Big  Tujunga  Canyon  where  it  bifurcates  into  the  SE‐trending Vasquez Creek  fault and  the more easterly‐trending San Gabriel  fault, proper  (Fig. 2).  The Vasquez Creek  fault  appears  to merge  into  the  Sierra Madre  frontal  fault  system (Fig. 2) while  the San Gabriel  strand appears  to be  terminated  in  the east by  the San Antonio Canyon fault (Fig. 1). 

 Figure 1: Index map to the central and western Transverse Ranges, showing the principal faults and generalized geology. Abbreviations: C-SF—Clamshell-Sawpit fault; CH—Coyote Hills; RF—Raymond fault; SACF—San Antonio Canyon fault; SAR—Santa Ana River; SFF—San Fernando fault; SJF—San Jose fault; SJcF—San Jacinto fault; SMF—Santa Monica fault; VCF—Vasquez Creek fault; WCF—Walnut Creek fault. Figure from Yeats (2004).

Estimation of the total right slip on the fault has evolved from 24‐40 km (Crowell, 1952) to 40‐60 km (Ehlig et al., 1975)  to, most  recently, 42 km (Powell, 1993).   All of  these displacement estimates make major assumptions within the contacts being measured, and  all  rely  on  summing  displacement  across multiple  faults  that may  have  played  a 

role in the San Gabriel fault.   Powell (1993) completed a comprehensive review of the displacement history of the San Gabriel fault, and concluded that: a) there is agreement that the fault has 22 km of displacement on the segment east of the Vasquez Creek fault; b)  displacement  on  the  northwest  segment  of  the  San  Gabriel  fault  is  substantially greater  than  on  the  eastern  segment;  c)  no  studies  show  large  displacements  (5  km maximum) on the Vasquez Creek fault; and d) no good explanation exists to explain the 20+ km difference in displacement between the two segments.  It is clear that younger structural or geomorphic  features are displaced  less  than older  features,  and  that  the rate of slip along the fault must have decreased by the Pliocene. 

 Figure 2: Simplified geologic map showing the area in Big Tujunga Canyon where the San Gabriel fault bends to the east, and the Vasquez Creek fault bifurcates from the San Gabriel fault (circle) to connect to the Sierra Madre fault at the range front. C-S—Clamshell-Sawpit fault; SG—San Gabriel fault; SM—Sierra Madre fault; VC—Vasquez Creek fault. Figure modified from Beyer et al. (2009).

Powell (1993) proposes three explanations to accommodate this missing 20‐22 km of displacement on the eastern segment: a)  late Miocene left‐oblique extension in the LA and/or Ventura basins; b) the missing slip was accommodated along an unknown and now  buried  fault  between  the  Santa  Monica  and  Verdugo mountains;  c)  the missing right‐slip  is  accommodated  on  coeval  left‐slip  faults  in  the  western  San  Gabriel Mountains and Soledad Basin.  All three of these explanations have evidence in support, and all three have difficulties.   

Palinspastic  reconstruction of  southern California  is  also  evolving with  respect  to  the San Gabriel fault.  Once commonly assumed to be a proto‐San Andreas fault, this model is  called  into  question  by  large  (100‐110  km)  displacements  on  the  Clemmens Well‐Fenner‐San  Francisquito  fault  up  until  about  11‐13  Ma  (Powell,  1993).    After abandonment of that fault system, the San Gabriel fault developed as the active strand of the San Andreas fault system, but some of the plate margin strain continued to step westward  to  the  continental  margin  (Powell,  1993).    From  about  5‐4  Ma,  the  San Gabriel  fault was  largely  bypassed  by  development  of  the modern  San Andreas  fault, and became  relatively  inactive, with  only  1‐2  km of  displacement  post  4 Ma  (Powell, 1993).   Weber (1982) maps 1.2 km of displacement within the base of  the 5.0‐3.5 Ma Hungry  Valley  Formation  at  the  northwestern  terminus  of  the  fault,  but  the displacements apparently die out within the upper part of the unit. 

Based on Powell’s analysis (Powell, 1993),  the  long‐term average slip rate  for the San Gabriel  fault,  assuming  42  km  of  displacement  between  13  and  5 Ma,  is  5.3 mm/yr.  Using other displacements and shorter intervals he calculated the range at 4.3 mm/yr (13‐10 Ma), 5.5 mm/yr (10‐6 Ma), and 4 mm/yr (6‐4 Ma).  Using different relationships, Yeats proposed a 6.6‐9.2 mm/yr rate determined from offset Mio‐Pliocene units, and a 2.5‐3.0  mm/yr  rate  from  offsets  on  the  Pleistocene  Saugus  Formation  (Yeats  et  al., 1994).   In no case could the full plate margin rate be assigned to the San Gabriel fault, and  they  are  significantly  less  than  the  12  mm/yr  required  by  the  60  km  offsets between 10‐5 Ma of Ehlig et al. (1975).  

Evidence for Holocene Activity 

In  general,  the  San  Gabriel  fault  is  assumed  to  be  largely  inactive  in  the  Quaternary, other than a small segment to the northwest in the Santa Clarita – Newhall area.   This portion of the fault was confirmed to have multiple Holocene displacements when the fault was exposed in trenching excavations conducted initially as geotechnical studies, then enhanced under two NEHRP grants (Cotton et al., 1988).  Their work was the first to  document Holocene  displacements  on  the  San  Gabriel  fault,  constraining  the most recent event (MRE) to between 1550 ybp and 3500 ybp.   Examination of  their  trench log (Figure 3) permits a second event after 3590 ybp, but well before 1550 ybp.  Based on the offset of a buried ridge and channel pair (Figure 3), they (Cotton et al., 1988) also determined a Holocene slip rate of about 0.6 mm/yr.  This rate that is less than 10% of the geologic rates, strongly suggesting a dramatic reduction in the San Gabriel fault slip rate after the development of the current San Andreas fault.  The active segment of the fault  through  Santa  Clarita  is  presumed  to  die  out  both  northwest  and  southeast.  Crowell (2003) presents the San Gabriel fault dying out in the early depositional history of the Hungry Valley Formation in the northern Ridge Basin, and Weber (1982) ended his  mapping  at  the  Big  Tujunga  River.    Yeats  and  Stitt  (2003)  proposed  that  the Holocene activity on the San Gabriel fault within Santa Clarita may be accommodating the folding of the Ventura Basin to the west, or accepting strain from the Holzer fault, though both  interpretations  have weaknesses.    Additional  geotechnical  investigations (summarized by Yeats and Stitt, 2003) have confirmed Cotton’s  findings, but have not added quantitatively to the San Gabriel fault’s seismic hazard understanding.   

 

Figure 3: Set of figures from Cotton et al. (1988) showing their paleoseismic investigation of the San Gabriel fault in the Castaic - Santa Clarita area [Above].

[Left] A 9 ka buried ridge and channel pair were right-laterally displaced 21 meters across the fault.

[Below left] Graphic log of their north-facing trench wall shows the most recent event constrained between 3500 and 1550 ybp, but it is permissible to interpret the log as showing a second, penultimate event having occurred also between this same time interval. This event is constrained by the right-most fault splay’s termination by subsequently faulted units. Mismatch of stratigraphy across the faults demonstrates that lateral slip is dominant.

No studies of  the eastern segment have shown similar evidence  for Holocene activity, although no actual trenching studies are known.  For this paper, I did an aerial flyover of  the  fault  using  Google  Earth  imagery,  and  was  struck  by  the  strong  geomorphic expression  of  youthful  faulting  seen  on  those  images  east  of  the  Cogswell  Reservoir (Figures 4‐7).  The imagery shows the lineament trending almost due east for 17 km to the San Gabriel River where it begins to curl more northerly, following the bend in the river.   Farther east of the river, it is still possible to infer the presence of a major fault zone,  but  the  freshness  of  the  lineament  is  not  visible.    To  the  west  of  Cogswell Reservoir, the lineament is clearly visible for at least another 25 km, almost to the Big Tujunga River.  It is not as fresh as the 17 km segment east of Cogswell, but it is more visible than exists east of the San Gabriel River and is directly on trend,  implying that there is no structural complexity separating them.   

The sense of slip appears to be right‐lateral based on the larger stream deflections, but with a south‐side up component resulting  in upslope facing scarps.    It  is possible that the  lineament could simply be a  fault‐line scarp created by differential  rock hardness and resistance to erosion.  However, on the geologic map portion of Figure 8 there is a part  of  the  fault  that  is  separating  the  same  geologic  unit  (Trlh,  shown  in  red) immediately east of  the eastern end of  the Cogswell Reservoir.   This  is  the same area shown  on  Figure  5  (P‐1b)  and  Figure  6  (P‐2)  where  the  lineament  is  the  sharpest.  Furthermore, the lineament cuts across both geology and topography with about equal visibility,  which  implies  to  me  that  it  is  a  youthful  tectonic  feature.    No  field reconnaissance has yet been performed, but that is the obvious next step.   

Assuming that this lineament does reflect a late Holocene surface rupture of at least this portion of the San Gabriel fault, the question is what may be driving this reactivation (or continued  activation)  of  the  fault.    One  possibility  is  that  this  small  fault  segment  is accommodating displacements from the active Clamshell‐Sawpit fault (Figure 4).   This model has potential because it can explain the termination of the lineament where the Clamshell‐Sawpit  fault  intersects  the  San  Gabriel.    It  also  makes  an  interesting segmentation  model  for  the  eastern  San  Gabriel  whereby  the  fault’s  activity  is controlled  from, and segmented by,  the Clamshell‐Sawpit, San Dimas Canyon, and San Antonio  Canyon  faults  (Figure  4).    These  northeast‐trending  faults  appear  to  be accommodating  some  of  the  clockwise  block  rotations  of  the  southern  San  Gabriel Mountains  (Luyendyk,  1991)  and  the  San Gabriel  fault would be  serving  to  constrain the northerly margins of these blocks.  In this case, the fault rupture would presumably be limited to the 15‐20 km long block margin formed between the cross‐cutting faults.   

Alternatively,  the  eastern  San  Gabriel  fault may  be  serving  to  partition  slip  from  the Sierra Madre frontal fault because of a small obliquity to the LA Basin and Transverse Ranges  convergence.    In  this  case  the  cross‐fault  segmentation  is  more  of  a  shallow hanging wall  structure,  and multi‐segment  ruptures  could more easily  cascade across them along the deeper San Gabriel fault. 

 Figure 4: Index Map for P-1 to P-6 Google Earth Images

 

 

 

Figure 5 (previous page): P-1a an oblique view, looking east, along the trace of the San Gabriel fault from above the Cogswell Reservoir. The fault is moderately well defined at this distance by a series of upslope-facing scarps along all of the ridges. P-1b is a close-up of the fault immediately east of the reservoir where a sharp lineament is clearly defined across the landscape.

Figure 6 (above): Vertical image of the fault east of Cogswell Reservoir. The striking lineation that is affecting all of the ridges and drainages strongly suggests that a late-Holocene displacement has occurred on this portion of the San Gabriel fault.

CogswellReservoi r

P!"

 

Figure 7 (previous page): P-3 to P-6 are a series of images along the fault showing the continuity of the youthful looking lineament trending east of the Cogswell Reservoir for 17 km to at least the San Gabriel River.

 

 

Figure 8: The top image is a montage made from P-2 through P-6, extending from Cogswell Reservoir on the west to the San Gabriel River on the east. The lower image is a section of the geologic map (Morton and Miller, 2003) for the same approximate area as the Google Earth imagery. The two map sections are approximately the same scale, though no actual scale is intended. The purpose of this figure is to contrast the linear nature of the inferred fault across the landscape with the complexly stepped nature of the fault as shown on the geologic map. There would appear to be at least three alternatives: 1) the landscape lineament is not the San Gabriel fault; 2) the geologic map is incorrect; or 3) the lineament reflects a late Holocene fault rupture that has cut across some of the older structural complexities.

Summary 

The San Gabriel  fault has had a  long and complex role  in  the  tectonic development of southern California.   The fault began about 13‐11 Ma as a major portion of  the proto‐San Andreas fault system, and at about 5 mm/yr, it accommodated 42 km of right slip before  the  modern  San  Andreas  formed  and  the  San  Gabriel  was  essentially  cut  off.  Although  still  active  at  a  reduced  rate  through  the  Pliocene,  the  San  Gabriel  was assumed to be inactive until the 1980’s when geotechnical trenching in the Santa Clarita area showed displaced late Holocene deposits.  No similar trenching studies are known from  the  eastern half  of  the  San Gabriel  fault,  and  it  is  still  considered  as  an  inactive fault.    However,  the  presence  of  a  youthful‐appearing  lineament  on  Google  Earth imagery, trending 17 km east from the Cogswell Reservoir, appears to indicate that this portion  of  the  San  Gabriel  fault  has  also  had  a  late  Holocene  surface  rupture.    The reactivation of the eastern San Gabriel may be the result of strain partitioning from the Sierra Madre fault due to a slight oblique convergence.  However, a preferred model is 

proposed  that  segments  the  eastern  San  Gabriel  along  a  series  of  northeast  trending hanging wall  faults,  and  in which  the  San Gabriel  accommodates  the  clockwise  block rotations imposed by these faults. 

References 

Beyer, L.A., McCulloh, T.H., Denison, R.E., Morin, R.W., Enrico, R.J., Barron, J.A., and Fleck, R.J., 2009, Post‐Miocene  right  separation  on  the  San  Gabriel  and  Vasquez  Creek  faults,  with  supporting chronostratigraphy,  western  Can  Gabriel  Mountains,  California;  US  Geological  Survey  Professional Paper 1759, 44 p. 

Cotton, W.R., Fowler, W.L., and Hay, E.A., 1988, Late Pleistocene and Holocene paleoseismicity of the San Gabriel  fault;  William  Cotton  and  Associates,  Final  Technical  Report  to  the  US  Geological  Survey, Contract No. 14‐08‐0001‐G1196, 21 p. 

Crowell,  1952,  Probable  large  lateral  displacement  on  San Gabriel  fault,  southern California;  American Association of Petroleum Geologists Bulletin, v. 36, p. 2026‐2035. 

Crowell, J.C., 2003, Tectonics of Ridge Basin region, southern California, in Crowell, J.C., ed., Evolution of Ridge Basin, southern California: An  interplay of sedimentation and tectonics: Geological Society of America Special Paper 367, p. 157–203. 

Ehlig,  P.L.,  Ehlert,  K.W.,  and Crowe,  B.M.,  1975, Offset  of  the  upper Miocene Caliente  and Mint  Canyon formations  along  the  San Gabriel  and  San Andreas  faults;  in  Crowell,  J.C.,  ed.,  San Andreas  fault  in southern California; California Division of Mines and Geology Special Report 118, p. 83‐92. 

Luyendyk, B.P., 1991, A model for Neogene crustal rotations, transtension, and transpression in southern California; Geological Society of America Bulletin, v. 103, p. 1528‐1536. 

Morton, D.M. and Miller, F.K., 2003, Preliminary geologic map of the San Bernardino 30’ x 60’ quadrangle, California,  Sheet  4  of  5,  Faults;  US  Geological  Survey  OFR  03‐293,  digital  v.  1.0, http://pubs.usgs.gov/of/2003/of03‐293/ 

Powell,  R.E.,  1993,  Balanced  palinspastic  reconstruction  of  pre‐late  Cenozoic  paleogeology,  southern California: Geologic and kinematic constraints on evolution of the San Andres fault system; in Powell, R.E., Weldon R.J.,  II,  and Matti,  J.C.,  eds., The San Andreas Fault  System: Displacement, Palinspastic Reconstruction, and Geologic Evolution; Geological Society of America Memoir 178, p. 1‐106. 

Weber,  F.H.,  Jr.,  1982,  Geology  and  geomorphology  along  the  San  Gabriel  fault  zone,  Los  Angeles  and Ventura counties, California; California Division of Mines and Geology Open File Report 82‐2LA. 

Yeats,  R.S.,  2004,  Tectonics  of  the  San Gabriel  Basin  and  surroundings,  southern  California;  Geological Society of America Bulletin, v. 116, p. 1158‐1182. 

Yeats,  R.S.,  and  Stitt,  L.T.,  2003,  Ridge  Basin  and  San  Gabriel  fault  in  the  Castaic  Lowland,  southern California,  in  Crowell,  J.C.,  ed.,  Evolution  of  Ridge  Basin,  southern  California:  An  interplay  of sedimentation and tectonics: Geological Society of America Special Paper 367, p. 137–156. 

Yeats, R.S., Huftile, G.J., and Stitt, L.T., 1994, Late Cenozoic tectonics of the east Ventura Basin, Transverse Ranges, California: American Association of Petroleum Geologists Bulletin, v. 78, p. 1040–1074.