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PS Strukturgeologie II Winter-Semester 2004/2005 Di 12.15 – 13.45 Teil 5.

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1 PS Strukturgeologie II Winter-Semester 2004/2005 Di – Teil 5

2 Klüfte

3 Oberflächen von Klüften Federförmige Strukturen auf Kluftoberflächen Federförmige Strukturen auf Kluftoberflächen Diese Strukturen zeigen, daß keine Bewegung auf den Kluftflächen statt- gefunden hat. Diese Strukturen zeigen, daß keine Bewegung auf den Kluftflächen statt- gefunden hat. aus Suppe 1985

4 Strukturen an Kluftoberflächen Saum Kluftfläche Fiederförmige Strukturen Fiederförmige Strukturen Conchoidale Strukturen en échelon- Klüfte en échelon- Klüfte aus Suppe 1985

5 Bruchfestigkeit einiger Gesteine C0 : Kompression, S0 : Scherung, T0 : Dehnung aus Suppe 1985

6 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)

7 Annahme: Brüche (Mikrobrüche) existieren im gesamten Material Vereinfachung: Brüche stellen sehr flache elliptische Hohlräume dar. Vereinfachung: Brüche stellen sehr flache elliptische Hohlräume dar.

8 Linien gleicher deviatorischer Spannung Bruch 400m/sec Bruch 400m/sec Spannungs- konzentration an der Spitze Spannungs- konzentration an der Spitze Dehnung nach Suppe 1985

9 Spannung an der Spitze des Bruchs d l = regionale Dehnungsspannung Nur Dehnungsspannung wirksam

10 Griffithsche Bruchtheorie Ue = erzeugte elastische Deformationsenergie l = Länge des Bruchs 0 = Dehnungsspannung in der Umgebung E = Elastizitätsmodul Energie, die nötig ist, um die Bruch-Oberfläche zu erzeugen: = Material-Konstante

11 Verhältnis U e / U S Es kommt zum Sprödbruch, wenn U S / Inkrement Bruchwachstum < U e Es kommt zum Sprödbruch, wenn U S / Inkrement Bruchwachstum < U e c kritische Spannung für den Bruch Bruchfestigkeit kann ermittelt werden aus: Oberflächenenergie elastischen Konstanten Länge der größten Brüche Bruchfestigkeit kann ermittelt werden aus: Oberflächenenergie elastischen Konstanten Länge der größten Brüche

12 Drei verschiedene Bruchfelder Coulombscher Bruch Übergang Dehnungs- bruch nach Suppe 1985

13 Form der Mohrschen Hüllkurve Nach der Griffithschen Bruchtheorie kann Form und Größe der Hüllkurve vorhergesagt werden: Nach der Griffithschen Bruchtheorie kann Form und Größe der Hüllkurve vorhergesagt werden: T 0 = Dehnungsfestigkeit für s n = 0 gilt: s t = 2T 0

14 Dehnungsbrüche Klüfte entstehen im Bereich Klüfte entstehen im Dehnungs- bereich oder im Übergang zwischen Dehnung und Coulombschen Scherbruch bei deviatorische Spannung deviatorische Spannung r nach Suppe 1985

15 max. Tiefe von Dehnungsbrüchen max. Tiefe für Dehnungsklüfte ist f( ): wenn 1 * vertikal ist: klein groß klein groß

16 max. Tiefe von Klüften nach Suppe 1985

17 Kluftbildung durch Hebung und Abtragung Ausgangssituation: isotroper Zustand in Tiefe h Lithostatischer Druck: z (negativ) = Hebung und Erosion s = Änderung der horizontalenSpannung durch Dehnung g = Änderung der Spannung durch Änderung der Auflast t = Änderung der Spannung durch Abkühlung

18 Effekte der Hebung Änderung der Auflast: Erosion bewirkt Ausdehnung des komprimierten Gesteins Erosion bewirkt Ausdehnung des komprimierten Gesteins Änderung der horizontalen Spannung: Kontraktion durch Abkühlung: Bei langsamer Hebung gilt:

19 Effekte der Hebung (Fortsetzung) Summe der Effekte: Ausdehnung durch Hebung und Abkühlung

20 Beispiel (Ohne tektonische Spannung) Sandstein in 5 km Tiefe, isotrope Spannung: thermischer Gradient: 20°C / km Fluiddruck: = 0.4 Nach Hebung um 2.2 km erfolgt Coulombscher Scherbruch v > h nach Suppe 1985

21 Beispiel mit horizontaler tektonischer Spannung Dehnungsbruch nach Hebung um 3.2 km thermische Kontraktion überwiegt: thermische Kontraktion überwiegt: Deviatorische Span- nung wird kleiner Deviatorische Span- nung wird kleiner h * > v * horizontale Dehnung v * h * nach Suppe 1985

22 Klüfte in Sedimentgesteinen

23 Elastizität und Dehnungsfestigkeit jede Lage Elastizität E i und Dehnungsfestigkeit T i jede Lage Elastizität E i und Dehnungsfestigkeit T i horizontale Spannung = E 1 e 1 =E 2 e 2 =E 3 e ,=E n e n horizontale Dehnung durch strain e x : 1 = E 1 (e 1 - e x ) 2 = E 2 (e 2 - e x ) n = E n (e n – e x ) 1 = E 1 (e 1 - e x ) 2 = E 2 (e 2 - e x ) n = E n (e n – e x )

24 Ergebnis Eine gleichförmige horizontale Dehnung bewirkt verschiedene Spannungen in den Schichten. Einige davon können Dehnungsspannungen sein, sodaß Klüfte entstehen. Eine gleichförmige horizontale Dehnung bewirkt verschiedene Spannungen in den Schichten. Einige davon können Dehnungsspannungen sein, sodaß Klüfte entstehen.

25 Dehnungsbrüche durch Abkühlung

26 Prismenlava (Irland)

27 Prismenlava (Steinbruch Klöch)

28 Skagaheidi, Island

29 Prismenlava, Jbel Sirwa/Marokko

30 Abkühlung eines Lavastroms 1 frühes Stadium 5 spätes Stadium 1 frühes Stadium 5 spätes Stadium 1: horizontale Dehnung im Dach und am Boden des Lavastroms. nach Suppe 1985

31 Beispiel 1: horizontale Dehnung im Dach und am Boden des Lavastroms. Abkühlung von Basalt: Elastizitätsmodul E = 4 x 10 4 MPa thermischer Dehnungskoeffizient x C Poissonsche Zahl = 0.21 Dehnungsfestigkeit = -10 MPa Dehnungsbrüche entstehen bei einer Abkühlung von T = -80°C

32 Entstehung von säulenförmigen Klüften Klüfte setzen sich nicht in das Liegende fort, da dies unter Kompres- sion steht. 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 Die Säulen wachsen in zwei Gruppen: 1. vom Dach nach innen 2. vom Boden nach innen


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