Strukturgeologie

Proseminar WS 2004/05Mo 12.00 – 13.30

Teil 5

Lineare Gefüge-Elemente

L-TektoniteL-Tektonite

b-Lineareb-Lineare

δ-Lineareδ-Lineare

Streckungslineare

extremer L-Tektonit (Dobrovcany, Tschechien)extremer L-Tektonit (Dobrovcany, Tschechien)

Futteral-Falten (Sheath Folds)

ScherungScherung

FaltenscharnierFaltenscharnier

FaltenscharnierFaltenscharnier

Entstehung einer Futteralfalte

http://earth.leeds.ac.uk

FutteralfaltenKaledonische Gneise (W-Norwegen

http://ees2.geo.rpi.edu/Structures_2001/folds/source/nor_4_31_137-sf.html

Futteral-Falte (Gebel Meatiq, Ägypten)

Streckungs-LinearStreckungs-Linear

Falten in ScherzonenSchleppfalte(drag fold)

Futteralfalten in einer Scherzone

Futteral-Falten in Amphiboliten

Rekonstruktion der Falte

Boudinage und Faltung

BoudinBoudin

Boudin-Achse// zur FaltenachseBoudin-Achse// zur Faltenachse

MullionMullion

Mullion-Strukturen

Aus Twiss & Moores 1992

gelängte Gerölle

Gelängte Gerölle

deformierte Konglomerate

x-Achsex-Achse

z-A

chse

z-A

chse

Atud-Konglomerat (G. Meatiq, Ägypten)Atud-Konglomerat (G. Meatiq, Ägypten)

BruchtektonikBruchtektonik

Bruchtheorie von A. A. Griffith (1920)

Linien gleicher devia-torischer Spannung

Linien gleicher devia-torischer Spannung

Bruch400m/secBruch400m/sec

Spannungs-konzentrationan der Spitze

Spannungs-konzentrationan der Spitze

DehnungDehnung

Spannung an der Spitze des Bruchs

dl

( )dl

Spitze

2

02

32

⋅⋅≅ σσ

σ0 = regionale Dehnungsspannung

Beispiel: l = 30md = 1m

Beispiel: l = 30md = 1m

0

0

240019004

32

σ

σσ

⋅=

⋅⋅⋅=Spitze

Festigkeit und Bruchverhalten

Länge eines Bruchs ist proportional zur Korngröße

Länge eines Bruchs ist proportional zur Korngröße

d.h. Festigkeit nimmt mit abnehmender Korngröße zud.h. Festigkeit nimmt mit abnehmender Korngröße zu

Entstehung von Scherbrüchen

TriaxialversuchTriaxialversuch

Stahl-kammerStahl-

kammer

ProbeH

ülld

ruck

achsialeSpannungachsiale

Spannung

hydraulischerDruck

hydraulischerDruck

Versuchsanordnungen

Kürzung // Zylinderachseσ1> σ2=σ3

Kürzung // Zylinderachseσ1> σ2=σ3

σ1σ1

σ2=σ3σ2=σ3

Streckung // Zylinderachseσ1=σ2> σ3

Streckung // Zylinderachseσ1=σ2> σ3

σ3σ3

σ1=σ2σ1=σ2

echter Triaxialversuchσ1>σ2>σ3σ1>σ2>σ3 σ1

σ1

σ2σ2

σ3σ3

konjugierteScherbrüchekonjugierteScherbrüche

Dehnungs-brüche

Dehnungs-brüche

Dehnungsbrüchebei Druckent-

latung

Dehnungsbrüchebei Druckent-

latung

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

800

600

400

200

0 5 10achsiale Deformatione x 10a

-3

σa'

σa''

σa'''

Bruch

σs

σn

800 MPa=σa'''σa''σa'

50 MPa=σc

Wie entsteht die Bruchfläche?

Scherspannung auf allen potentiellenScherflächen nimmt zu, bis der Scher-bruch auf einer Fläche erfolgt, wenn

σ1 - σ3 = max.

Scherspannung auf allen potentiellenScherflächen nimmt zu, bis der Scher-bruch auf einer Fläche erfolgt, wenn

σ1 - σ3 = max.θ

max. Scherfestigkeit ist material-abhängig.

max. Scherfestigkeit ist material-abhängig.

Winkel Θ ist bekannt,wenn σ1 - σ3bekannt ist.

Θ⋅−

= 2sin2

31 σσσ s

Scherbrüche bei verschiedenen Spannungen

500 1000 1500

500

σs

σn bar

barBruchbedingungenBruchbedingungen Verschiedene Hülldrucke

Versuche mit dem gleichen GesteinVersuche mit dem gleichen Gestein

Die Mohrsche Hüllkurve

105

5

Mohrsche HüllkurveMohrsche Hüllkurve

stabilstabil

versagenversagen

Mohr-Diagramm der Festigkeit

100 MPa

σ

σs

n

stabilstabil

versagenversagen Festigkeit nimmt mitzunehmender Normal-

spannung zu

Festigkeit nimmt mitzunehmender Normal-

spannung zu

Das Mohr – Coulomb - Kriterium

φ µ = φtan

c

σn

σs

ns c σµσ ⋅+= c = Kohäsionφ = Winkel der inneren Reibungc = Kohäsionφ = Winkel der inneren Reibung

Orientierung der Bruchfläche

60°50°

Dehnungs-bruch

Dehnungs-bruch

ScherbrücheScherbrüche

Wirkung von Poren-Fluiden

j

piji dx

dPkv ⋅=

ηi, j = 1, 2, 3

Darcysches Gesetz(Darcy, 1853)

Darcysches Gesetz(Darcy, 1853)

Vi = Fließgeschwindigkeit (Vektor)kij = Permeabilität (Tensor)η = Viskosität des FluidesPp = Porenfluid-Druck

Vi = Fließgeschwindigkeit (Vektor)kij = Permeabilität (Tensor)η = Viskosität des FluidesPp = Porenfluid-Druck

Effektive Spannung

( )( )

( )⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−≡

p

p

p

ij

PP

P

333231

2221

11*

σσσσσ

σσ

Terzaghi (1923)Tu - Graz

Terzaghi (1923)Tu - Graz

Mohr – Coulomb – Kriterium füreffektive Spannungen

)( pns Pc −⋅+= σµσ

Beispiel für Effektiv-Spannung

GesteintrockenGesteintrocken

stabilstabilGestein

naßGestein

naß

BruchBruch

Auslösung von Erdbeben durch Wasserinjektion

TrennflächenTrennflächen

Extensionsbrüche (Dehnungsklüfte)

Bei einer Dehnungskluft werden zwei neue Gesteinsoberflächen gebildet,

an denen kein Versatz erfolgt.

Bei einer Dehnungskluft werden zwei neue Gesteinsoberflächen gebildet,

an denen kein Versatz erfolgt.

Beziehung der Dehnungsklüfte zu den Haupt-Normalspannungen

σ1

σ2

σ3σ1

σ2

σ3DehnungskluftDehnungskluft

KlüfteDehnungsklüfteDehnungsklüfte

Kluftrichtungen

Querklüfte (0k0-Klüfte)Querklüfte (0k0-Klüfte)

Längsklüfte (h00)Längsklüfte (h00)

Radialklüfte (h0l)Radialklüfte (h0l)

Diagonalklüfte (hk0), (0kl)Diagonalklüfte (hk0), (0kl)

Kluftausbreitung

Radiale StreifungRadiale Streifung StufeStufe

Richtung der BruchausbreitungRichtung der Bruchausbreitung

KluftmusterKluftschar 1Kluftschar 1

Kluftschar 2Kluftschar 2

KluftkörperKluftkörper

Kluftfüllungen

Nebengestein

Nebengestein

Mineral-fasern

Klüftigkeits-Ziffer (k)(k)

n = Anzahl der Klüfte l = Länge in einer Richtungn = Anzahl der Klüfte l = Länge in einer Richtung

lnk =

Klüfte im Appalachen-Vorland

FaltenachsenFaltenachsen

KluftscharenKluftscharen

Fiederklüfte

DehnungDehnung

Fiederklüfte

Fiederklüfte an einer Abschiebung

Südkarpaten, RumänienSüdkarpaten, Rumänien

StörungenStörungen

Verwerfungfaultfaille, accident

Verwerfungfaultfaille, accident

Verwerfungen

Verwerfung(spröde

Deformation)

Verwerfung(spröde

Deformation)

Verwerfungszone(en échelon)

spröde Deformation

Verwerfungszone(en échelon)

spröde Deformation

Scherzoneduktile

Deformation

Scherzoneduktile

Deformation

Versatz an einer Verwerfung

LiegendblockLiegendblock

HangendblockHangendblockssss

nsnsdsds

vv

hh

h = horizontaler Versatzv= vertikaler Versatzh = horizontaler Versatzv= vertikaler Versatz

ns = gesamter Versatzss = Versatz im Streichends = Versatz im Fallen

ns = gesamter Versatzss = Versatz im Streichends = Versatz im Fallen

ds = h + vds = h + vns = ss + dsns = ss + ds

Nomenklatur der Verwerfungen

Abschiebung

Abschiebung

Aufschiebung

Aufschiebung

Blattverschiebung

Blattverschiebung

dextraldextral

sinistralsinistral

Verwerfungen (Störungen) Faults

Abschiebung : normal faultAbschiebung : normal fault

Aufschiebung : reverse faultAufschiebung : reverse fault

Blattverschiebung : strike slip faultBlattverschiebung : strike slip fault

Eine Aufschiebung flacher als 45°heißt Überschiebung (thrust)

Eine Aufschiebung flacher als 45°heißt Überschiebung (thrust)

Überschiebung mit großer Transportweite (Decke)

DeckeDecke

Decken-ÜberschiebungDecken-Überschiebung

KlippeKlippe FensterFenster

Bezug zur generellen Tektonik

streichende,longitudinaleStörung

streichende,longitudinaleStörung

QuerstörungtransversaleStörung

QuerstörungtransversaleStörung

Bezug zur Schichtung

synthetische Abschiebungsynthetische Abschiebung antithetische Abschiebungantithetische Abschiebung

Dehnung

d

σ3

σ1

σ3

d

σ3

σ1

σ3

Dehnung : AbschiebungDehnung : Abschiebung

GrabenGraben

Konjugierte Störungen

Abschiebung

σ1

σ3 σ3D. Meier, 1993

Erdgasfeld Thönse (Niedersachsen

sek

D. Meier, 1993

Asymmetrischer Graben

Rollover-Strukturen

Flexuren

Kippschollen

Berechnung der Extension: ∆l = l - l0Berechnung der Extension: ∆l = l - l0

Schicht mitLänge l0

Schicht mitLänge l0

l

Relative Extension: e = (∆l/ l0)100%Relative Extension: e = (∆l/ l0)100%

synsedimentäre antithetische Abschiebungen

Spannungsansatz bei Abschiebungen

symmetrische StreckungAufdomung

asymmetrische Streckung

Einengung

σ1

σ3

σ1σ1

σ3

σ1Einengung : AufschiebungEinengung : Aufschiebung

HorstHorst

Riedelsche Flächen

Aus Eisbacher, 1991

Riedelsche FlächenSpannungSpannung

RiedelscheFläche

RiedelscheFläche

DehnungskluftDehnungskluft

Harnischflächen und Striemungen

Riedelsche Fläche

Mineralfasern

Transform-StörungenTransform-Störungen

San-Andreas-Störung

Kabir-Störung

Spannungsfelder und Störungen

Konvergenz

Escape-Tektonik

Dehnung

Indenter-Tektonikα-Linien

β-Linien

Herat-Störung

Chaman-Störung

Karakorum-Störung

Blattverschiebungen am Südrand der Böhmischen Masse

Indenter im Experiment

Indenter-Tektonik in den Ostalpen

Variszische Indenter-Tektonik in Mauretaniden und Appalachen

Brevard-Scherzone

Variszische Sutur

Indenter

Transpression und Transtension

TranspressionTranstension

Pull-Apart-Becken(Aufreißbecken) Aufschiebungen

Falten

Becken mit SedimentfüllungAbschiebungen

ZerrungPressung

Umgezeichnet nach Frisch & Loeschke, 1986

Aufreißbecken (Pull apart basins)

Flower Structures

positiv:Heraushebungpositiv:Heraushebung

negativ:Absenkung

negativ:Absenkung

Anderson-Tektonik

Spannungstrajektorien an Magmen

Spannungstrajektorien an einer Magmenkammer

Duplex-Strukturen

Akkretionskeil in Taiwan

Profile durch die nördlichen Kalkalpen

Störungen an Plattengrenzen

Die Jordan-Störung