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

Klüfte

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

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

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

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)

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

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

Spannung an der Spitze des Bruchs l s0 = regionale Dehnungsspannung Nur Dehnungsspannung wirksam

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

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

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

Form der Mohrschen Hüllkurve Nach der Griffithschen Bruchtheorie kann Form und Größe der Hüllkurve vorhergesagt werden: T0 = Dehnungsfestigkeit für sn = 0 gilt: st = 2T0

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

max. Tiefe von Dehnungsbrüchen wenn s1* vertikal ist: D klein l groß max. Tiefe für Dehnungsklüfte ist f(l):

max. Tiefe von Klüften nach Suppe 1985

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

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:

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

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

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

Klüfte in Sedimentgesteinen

Elastizität und Dehnungsfestigkeit jede Lage Elastizität Ei und Dehnungsfestigkeit Ti horizontale Spannung s s = E1e1=E2e2=E3e3.......,=Enen s1 = E1(e1 - ex) s2 = E2(e2 - ex) sn = En(en – ex) horizontale Dehnung durch strain ex:

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

Dehnungsbrüche durch Abkühlung

Prismenlava (Irland)

Prismenlava (Steinbruch Klöch)

Skagaheidi, Island

Prismenlava, Jbel Sirwa/Marokko

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

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

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