ps strukturgeologie ii winter-semester 2004/2005 di 12.15 – 13.45 teil 5
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PS Strukturgeologie II
Winter-Semester 2004/2005
Di 12.15 – 13.45
Teil 5
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KlüfteKlüfte
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Oberflächen von Klüften
Federförmige Strukturen aufKluftoberflächen
Federförmige Strukturen aufKluftoberflächen
Diese Strukturenzeigen, daß keineBewegung auf denKluftflächen statt-gefunden hat.
Diese Strukturenzeigen, daß keineBewegung auf denKluftflächen statt-gefunden hat.
aus Suppe 1985
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Strukturen an Kluftoberflächen
SaumSaum
SaumSaum
KluftflächeKluftfläche
FiederförmigeStrukturen
FiederförmigeStrukturen
Conchoidale StrukturenConchoidale Strukturen
en échelon-Klüfte
en échelon-Klüfte
aus Suppe 1985
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Bruchfestigkeit einiger GesteineC0 : 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 ofthe Royal Society of London,Series A, 221)
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Annahme: Brüche (Mikrobrüche)existieren im gesamten Material
Annahme: Brüche (Mikrobrüche)existieren im gesamten Material
Vereinfachung: Brüche stellen sehr flache elliptische Hohlräume dar.Vereinfachung: Brüche stellen sehr flache elliptische Hohlräume dar.
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Linien gleicher deviatorischer Spannung
Bruch400m/sec
Bruch400m/sec
Spannungs-konzentration an der Spitze
Spannungs-konzentration an der Spitze
DehnungDehnung
nach Suppe 1985
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Spannung an der Spitze des Bruchs
dl
d
lSpitze
2
0
2
3
2
= regionale Dehnungsspannung
Nur Dehnungsspannung wirksam
0* n
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Griffithsche Bruchtheorie
E
lUe
20
2
Ue = erzeugte elastische Deformationsenergie l = Länge des Bruchs0 = Dehnungsspannung in der UmgebungE = Elastizitätsmodul
Energie, die nötig ist, um die Bruch-Oberfläche zu erzeugen:
lUS 4
= Material-Konstante
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Verhältnis Ue / US
2lUe 2lUe lUS lUS Es kommt zum Sprödbruch, wenn
US / Inkrement Bruchwachstum < Ue
Es kommt zum Sprödbruch, wenn US / Inkrement Bruchwachstum < Ue
c kritische Spannung für den Bruch
l
Ec
4
Bruchfestigkeit kann ermittelt werden aus: Oberflächenenergie elastischen Konstanten Länge der größten Brüche
Bruchfestigkeit kann ermittelt werden aus: Oberflächenenergie elastischen Konstanten Länge der größten Brüche
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Drei verschiedene BruchfelderCoulombscherBruch
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:
Nach der Griffithschen Bruchtheorie kann Form und Größe der Hüllkurve vorhergesagt werden:
044 200
2 TT n
T0 = Dehnungsfestigkeit
für sn = 0 gilt: st = 2T0für sn = 0 gilt: st = 2T0
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Dehnungsbrüche
0* nKlüfte entstehen im Bereich
Klüfte entstehen im Dehnungs-bereich oder im Übergangzwischen Dehnung undCoulombschen Scherbruch bei
0* n
deviatorischeSpannung
deviatorischeSpannung 022 Tr
202
02 22 TTr
r
0*
3*
1 24 T 0*
3*
1 24 T nach Suppe 1985
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max. Tiefe von Dehnungsbrüchen
0*
1 222 T 0*
1 222 T
1*1 zg 1*
1 zg
02221 Tzg 02221 Tzg
max. Tiefe für Dehnungsklüfte ist f():
1
222 0
g
Tz
wenn 1* vertikal ist:
klein groß
klein groß
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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: hgP yxz
z (negativ) = Hebung und Erosion
zhgz
tgsyx hg tgsyx hg s = Änderung der horizontalenSpannung durch Dehnung
g = Änderung der Spannung durch Änderung der Auflast
t = Änderung der Spannung durch Abkühlung
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Effekte der Hebung
Änderung der Auflast:Änderung der Auflast: Erosion bewirkt Ausdehnung des komprimierten Gesteins
Erosion bewirkt Ausdehnung des komprimierten Gesteins
Änderung der horizontalen Spannung: zgg
1
Kontraktion durch Abkühlung:
TE
t
1
Bei langsamer Hebung gilt: zdz
dTT
zdz
dTEt
1
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Effekte der Hebung (Fortsetzung)
Summe der Effekte: Ausdehnung durch Hebung und Abkühlung
zdz
dTEzzgx
11
21
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Beispiel (Ohne tektonische Spannung)
Sandstein in 5 km Tiefe, isotrope Spannung:
**hv **hv
thermischer Gradient: 20°C / km
Fluiddruck:= 0.4
Nach Hebung um 2.2 km erfolgt Coulombscher ScherbruchNach Hebung um 2.2 km erfolgt Coulombscher Scherbruch
v > hv > h
nach Suppe 1985
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Beispiel mit horizontaler tektonischer Spannung
Dehnungsbruch nach Hebung um 3.2 kmDehnungsbruch nach Hebung um 3.2 km
thermische Kontraktionüberwiegt:
thermische Kontraktionüberwiegt:
Deviatorische Span-nung wird kleiner
Deviatorische Span-nung wird kleiner
h* > v
*
horizontale Dehnunghorizontale Dehnung
v*h
*
nach Suppe 1985
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Klüfte in SedimentgesteinenKlüfte in Sedimentgesteinen
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Elastizität und Dehnungsfestigkeit
jede Lage Elastizität Ei
und DehnungsfestigkeitTi
jede Lage Elastizität Ei
und DehnungsfestigkeitTi
horizontale Spannung horizontale Spannung = E1e1=E2e2=E3e3.......,=Enen = E1e1=E2e2=E3e3.......,=Enen
horizontale Dehnung durch strain ex:horizontale Dehnung durch strain ex: 1 = E1(e1 - ex)2 = E2(e2 - ex)
n = En(en – ex)
1 = E1(e1 - ex)2 = E2(e2 - ex)
n = En(en – ex)
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Ergebnis
Eine gleichförmige horizontale Dehnungbewirkt verschiedene Spannungen in denSchichten.Einige davon können Dehnungsspannungensein, sodaß Klüfte entstehen.
Eine gleichförmige horizontale Dehnungbewirkt verschiedene Spannungen in denSchichten.Einige davon können Dehnungsspannungensein, 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 Stadium5 spätes Stadium
1 frühes Stadium5 spätes Stadium
1: horizontale Dehnung im Dach und am Boden des Lavastroms.
1
TET
nach Suppe 1985
![Page 31: PS Strukturgeologie II Winter-Semester 2004/2005 Di 12.15 – 13.45 Teil 5](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062404/55204d8049795902118d2470/html5/thumbnails/31.jpg)
Beispiel1: horizontale Dehnung im Dach und am Boden des Lavastroms.
1
TET
Abkühlung von Basalt:
Elastizitätsmodul E = 4 x 104 MPaElastizitätsmodul E = 4 x 104 MPa
thermischer Dehnungskoeffizient xCthermischer Dehnungskoeffizient xC
Poissonsche Zahl = 0.21Poissonsche Zahl = 0.21
Dehnungsfestigkeit = -10 MPaDehnungsfestigkeit = -10 MPa
Dehnungsbrüche entstehen bei einer Abkühlung von T = -80°CDehnungsbrüche entstehen bei einer Abkühlung von T = -80°C
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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