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PS Strukturgeologie II

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. Saum. Fiederförmige

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Presentation Transcript

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

  2. Klüfte

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

  4. Saum Fiederförmige Strukturen Saum en échelon- Klüfte Conchoidale Strukturen Strukturen an Kluftoberflächen Kluftfläche 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.

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

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

  10. 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

  11. sc kritische Spannung für den Bruch Verhältnis Ue / US Es kommt zum Sprödbruch, wenn US / Inkrement Bruchwachstum < Ue Bruchfestigkeit kann ermittelt werden aus: Oberflächenenergie elastischen Konstanten Länge der größten Brüche

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

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

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

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

  16. max. Tiefe von Klüften nach Suppe 1985

  17. 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 Kluftbildung durch Hebung und Abtragung Ausgangssituation: isotroper Zustand in Tiefe h

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

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

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

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

  22. Klüfte in Sedimentgesteinen

  23. 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:

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

  31. 1: horizontale Dehnung im Dach und am Boden des Lavastroms. Beispiel 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

  32. 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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