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PS Strukturgeologie II
Winter-Semester 2004/2005 Di – Teil 5
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Klüfte
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Oberflächen von Klüften
Federförmige Strukturen auf Kluftoberflächen Diese Strukturen zeigen, daß keine Bewegung auf den Kluftflächen statt- gefunden hat. aus Suppe 1985
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Strukturen an Kluftoberflächen
Saum Fiederförmige Strukturen Kluftfläche en échelon- Klüfte Conchoidale Strukturen aus Suppe 1985
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Bruchfestigkeit einiger Gesteine
C0 : Kompression, S0 : Scherung, T0 : Dehnung aus Suppe 1985
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Linear-elastische Bruchmechanik
A.A. Griffith, 1920 The Phenomena of Rupture and Flow in Solids (Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, 221)
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Annahme: Brüche (Mikrobrüche) existieren im gesamten Material
Vereinfachung: Brüche stellen sehr flache elliptische Hohlräume dar.
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Linien gleicher deviatorischer Spannung
Spannungs- konzentration an der Spitze Dehnung Bruch 400m/sec nach Suppe 1985
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Spannung an der Spitze des Bruchs
l s0 = regionale Dehnungsspannung Nur Dehnungsspannung wirksam
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Griffithsche Bruchtheorie
Ue = erzeugte elastische Deformationsenergie l = Länge des Bruchs s0 = Dehnungsspannung in der Umgebung E = Elastizitätsmodul Energie, die nötig ist, um die Bruch-Oberfläche zu erzeugen: g = Material-Konstante
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Verhältnis Ue / US Es kommt zum Sprödbruch, wenn
US / Inkrement Bruchwachstum < Ue sc kritische Spannung für den Bruch Bruchfestigkeit kann ermittelt werden aus: Oberflächenenergie elastischen Konstanten Länge der größten Brüche
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Drei verschiedene Bruchfelder
Coulombscher Bruch Übergang Dehnungs- bruch nach Suppe 1985
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Form der Mohrschen Hüllkurve
Nach der Griffithschen Bruchtheorie kann Form und Größe der Hüllkurve vorhergesagt werden: T0 = Dehnungsfestigkeit für sn = 0 gilt: st = 2T0
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Dehnungsbrüche Klüfte entstehen im Bereich r
Klüfte entstehen im Dehnungs- bereich oder im Übergang zwischen Dehnung und Coulombschen Scherbruch bei deviatorische Spannung nach Suppe 1985
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max. Tiefe von Dehnungsbrüchen
wenn s1* vertikal ist: D klein l groß max. Tiefe für Dehnungsklüfte ist f(l):
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max. Tiefe von Klüften nach Suppe 1985
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Kluftbildung durch Hebung und Abtragung
Ausgangssituation: isotroper Zustand in Tiefe h Lithostatischer Druck: Dz (negativ) = Hebung und Erosion Dss = Änderung der horizontalenSpannung durch Dehnung Dsg = Änderung der Spannung durch Änderung der Auflast Dst = Änderung der Spannung durch Abkühlung
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Effekte der Hebung Erosion bewirkt Ausdehnung des
Änderung der Auflast: Erosion bewirkt Ausdehnung des komprimierten Gesteins Änderung der horizontalen Spannung: Kontraktion durch Abkühlung: Bei langsamer Hebung gilt:
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Effekte der Hebung (Fortsetzung)
Summe der Effekte: Ausdehnung durch Hebung und Abkühlung
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Beispiel (Ohne tektonische Spannung)
Sandstein in 5 km Tiefe, isotrope Spannung: thermischer Gradient: 20°C / km Fluiddruck: l = 0.4 sv > sh Nach Hebung um 2.2 km erfolgt Coulombscher Scherbruch nach Suppe 1985
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Beispiel mit horizontaler tektonischer Spannung
horizontale Dehnung sv* > sh* thermische Kontraktion überwiegt: Deviatorische Span- nung wird kleiner sh* > sv* Dehnungsbruch nach Hebung um 3.2 km nach Suppe 1985
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Klüfte in Sedimentgesteinen
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Elastizität und Dehnungsfestigkeit
jede Lage Elastizität Ei und Dehnungsfestigkeit Ti horizontale Spannung s s = E1e1=E2e2=E3e ,=Enen s1 = E1(e1 - ex) s2 = E2(e2 - ex) sn = En(en – ex) horizontale Dehnung durch strain ex:
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Ergebnis Eine gleichförmige horizontale Dehnung
bewirkt verschiedene Spannungen in den Schichten. Einige davon können Dehnungsspannungen sein, sodaß Klüfte entstehen.
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Dehnungsbrüche durch Abkühlung
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Prismenlava (Irland)
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Prismenlava (Steinbruch Klöch)
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Skagaheidi, Island
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Prismenlava, Jbel Sirwa/Marokko
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Abkühlung eines Lavastroms
1 frühes Stadium 5 spätes Stadium 1: horizontale Dehnung im Dach und am Boden des Lavastroms. nach Suppe 1985
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Beispiel 1: horizontale Dehnung im Dach und am Boden des Lavastroms.
Abkühlung von Basalt: Elastizitätsmodul E = 4 x 104 MPa thermischer Dehnungskoeffizient a = 2.5 x 10-5/°C Poissonsche Zahl n = 0.21 Dehnungsfestigkeit = -10 MPa Dehnungsbrüche entstehen bei einer Abkühlung von DT = -80°C
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Entstehung von säulenförmigen Klüften
Klüfte setzen sich nicht in das Liegende fort, da dies unter Kompres- sion steht. Die Säulen wachsen in zwei Gruppen: 1. vom Dach nach innen 2. vom Boden nach innen
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