Advertisement

Geologische Rundschau

, Volume 75, Issue 2, pp 301–322 | Cite as

Die Entstehung von Plumose-Kluftflächenmarkierungen und ihre tektonische Interpretation

  • Kord Ernstson
  • Martin Schinker
Article

Zusammenfassung

Die in der tektonischen Literatur unter den verschiedensten Namen bekannten Kluftflächenmarkierungen vom Feder- oder Besentyp (Plumose-Strukturen) sind als diagnostisches Hilfsmittel bei der Ansprache von Klüften als das Ergebnis von Scher- bzw. Zugbeanspruchung umstritten. In der vorliegenden Arbeit wird versucht, auf Grund von Geländebeobachtungen und bruchmechanischen Untersuchungen eine Klärung dieser Frage herbeizuführen.

Das wesentliche Ergebnis der Geländeuntersuchungen in einem Aufschluß der Solnhofener Schichten (Malm zeta) und in einem Aufschluß in Muschelkalk ist der Befund, daß die Plumose-Strukturen an eine extrem engständige Klüftung gebunden sind, die auf ein offenbar bereits sehr früh — synsedimentär bis frühdiagenetisch — angelegtes Gefüge zurückzuführen ist. Das negative Ergebnis von Bruchmechanik-Experimenten an Kalkstein-Proben sowie die absolute phänomenologische Übereinstimmung der Plumose-Strukturen mit den Spaltstufen auf Bruchflächen spaltbarer Kristalle führen zu der Modellvorstellung, daß für die Entstehung der Plumose-Strukturen allein eine Gesteinsanisotropie vorausgesetzt werden muß. Damit sind diese Kluftflächenmarkierungen ohne weitere Kriterien nicht diagnostisch, aber geeignet, entsprechende Gefüge nachzuweisen.

Als anisotropes Gefüge in den Kalken werden duktil angelegte Gleitflächen bzw. Gleitbänder erkannt, die als Ebenen reduzierter Bindefestigkeit Wegbereiter für den späteren Sprödbruch sind.

Die Ergebnisse haben Bedeutung für die Theorien zur Kluftentstehung und Konsequenzen für klufttektonische Analysen. Unter diesen Gesichtspunkten werden Arbeiten anderer Autoren diskutiert, die sich mit den Kluftflächenmarkierungen vom Plumose-Typ auseinandersetzen.

Abstract

For a long time joint surface markings of the plumose type have drawn attention to researchers in structural geology. In the opinion of many authors plumose structures are diagnostic of both, shear and tensile fracture, respectively, but papers mostly suffer from lack of arguments.

In this study we propose a model that cancels plumose structures as a diagnostic tool in interpreting fractures or joints to be the result from shear or tension. The model is based primarily on observations of joint surfaces in Solnhofen and Muschelkalk limestones, including fracture experiments, as well as on the fracture behavior of cleavable crystals, and we conclude that, regardless of shear or tension, plumose structures originate from an advancing fracture front in closely spaced planes of weakness in an anisotropic material. Anisotropy in the limestones is found to be attributed to flow planes of probably early diagenetic origin.

The results are important for theories on joint formation and for structural analyses of field observations in the light of which we discuss other authors' studies related to plumose structures.

Résumé

Depuis longtemps, les traces en forme de plume sur la surface des joints font l'objet de discussions quant à leur utilisation en vue de distinguer les fractures d'extension de celles de cisaillement.

Dans cette note, nous proposons un modèle d'après lequel les structures »plumeuses« n'ont pas de valeur diagnostique dans la distinction en cause. Ce modèle est basé d'une part sur des observations de terrain et des expériences effectuées sur les calcaires du Muschelkalk et de Solnhofen, d'autre part sur le mécanisme de fracturation de cristaux clivables. Nous concluons que, quel que soit le type de joint (extension ou cisaillement), les structures «plumeuses» résultent d'un front de fracturation qui progresse dans un matériau anisotrope, le long de plans de faible résistance peu espacés. L'anisotropie des calcaires est attribuée à des surfaces de glissement probablement d'origine diagénétique hâtive.

Ces résultats sont importants, tant pour la théorie de la formation des joints que pour les analyses structurales de terrain. Des études antérieures de divers auteurs sont discutées à ce point de vue.

Краткое содержание

Структурные единицы перистого, или метело чного типа — структура plumose — ус танавливаемые на пов ерхности трещин кливажа, и изве стные в тектоническо й литературе под разли чными названиями, применять, как вспома гательное средство д ля описания трещин в результате с колов, или растяжений, не рекомендуется. В на стоящей работе делае тся попытка, внести яснос ть в данную проблему н а основании наблюдений в поле и мо дельных опытах на разлом.

На основании полевых наблюдений на обнаже ниях Золеногофенских отл ожений — мальм зета -, а также ракушечного из вестняка установили, что эти структурные единицы связаны с тесным расп оложением трещиноватостей, кот орые образуются очен ь рано — вероятно синсе диментно, или на ранне й стадии диагенеза. Отрицател ьные результаты при экспериментах по разломам известня ков и полное совпаден ие этих структур со ступ енчатыми разломами по поверхности скола кристаллов разрешаю т составить рабочую модель, с помо щью которой образова ние названных структур м ожно объяснить тольк о анизотропией пород. Т аким образом, структу ры plumose на поверхности трещи н без других данных не могут служить диагно стическим признаком, но их следует рассматрива ть, как доказательств о присутствия известных структур.

Анизотропия в извест няках возникает в рез ультате пластичности матери ала, где плоскости пон иженной спаяности служат пло скостями скола и, в дал ьнейшем, путями для образован ия разрывных структу р. Эти данные имеют значени е для теории образова ния кливажей и для выводо в при тектоническом а нализе. Здесь привлечены и др угие раньше высказан ные точки зрения об образ овании названных стр уктурных единиц.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

Literaturverzeichnis

  1. Badgley, P. C. (1965): Structural and Tectonic Principles. - 521 S., New York (Harper & Row).Google Scholar
  2. Bahat, D. &Engelder, T. (1984): Surface morphology on joints of the Appalachian Plateau, New York and Pennsylvania. - Tectonophysics,104, 299–313.Google Scholar
  3. Bankwitz, P. (1965): Über Klüfte. I. Beobachtungen im Thüringischen Schiefergebirge. - Geologie,14, 241–253, Berlin.Google Scholar
  4. — (1966): Über Klüfte. II. Die Bildung der Kluftfläche und eine Systematik ihrer Strukturen. - Geologie,15, 896–941. Berlin.Google Scholar
  5. — (1978 a): Über Klüfte. III. Die Entstehung von Säulenklüften. - Z. geol. Wiss.,6, 285–299, Berlin.Google Scholar
  6. — (1978 b): Über Klüfte. IV. Aspekte einer bruchphysikalischen Interpretation geologischer Rupturen. - Z. geol. Wiss.,6, 301–311, Berlin.Google Scholar
  7. — &Bankwitz, E. (1971): Bruchflächenanalyse in der Physik und in der Geologie.- Mber. dt. Akad. Wiss.,13, 447–463, Berlin.Google Scholar
  8. Bergmann, L. (1954): Der Ultraschall und seine Anwendung in Wissenschaft und Technik. - 1114 S., Stuttgart (Hirzel).Google Scholar
  9. Bock, H. (1972): Zur Mechanik der Kluftentstehung in Sedimentgesteinen. - Veröff. Inst. Bodenmech. Felsmech. Karlsruhe,53, 1–116, Karlsruhe.Google Scholar
  10. — (1980 a): Die Rolle der Werkstoffkunde bei der mechanischen Interpretation geologischer Trennflächen.- N. Jb. Geol. Paläont. Abh.,160, 3, 380–405, Stuttgart.Google Scholar
  11. — (1980 b): Das Fundamentale Kluftsystem. - Z. dt. geol. Ges.,131, 627–650, Hannover.Google Scholar
  12. Brace, W. F. (1964): Brittle fracture of rocks. - In: State of Stress in the Earth's Crust (W. R. Judd, ed.), 111–180, New York (Elsevier).Google Scholar
  13. Engelder, T. (1982): Reply to a comment on »Is there a genetic relationship between selected regional joints and contemporary stress within the lithosphere of North America« by A. E. Scheidegger. - Tectonics,1, 465–470.Google Scholar
  14. — (1985): Loading paths to joint propagation during a tectonic cycle: an example from the Appalachian Plateau, U.S.A.. - J. Struct. Geol.,7, 459–476.Google Scholar
  15. Gash, P. J. S. (1971): A study of surface features relating to brittle and semi-brittle fracture. - Tectonophysics,12, 349–391.Google Scholar
  16. Gramberg, J. (1965): Axial cleavage fracturing, a significant process in mining and geology. - Eng. Geol.,1, 31–72, Amsterdam — London — New York.Google Scholar
  17. — (1970): The »ellipse-with-notch« theory to explain axial cleavage fracturing of rocks (a natural extension to the first Griffith theory). - Int. J. Rock Mech. Min. Sci.,7, 537–559, Oxford.Google Scholar
  18. Griggs, D. T. &Handin, J. (1960): Observations on fracture and a hypothesis of earthquakes. - In: D. T. Griggs and J. Handin (eds.), Rock Deformation, Geol. Soc. Am., Memoir,79, 347–373.Google Scholar
  19. Hagan, J. T. (1980): Shear deformation under pyramidal indentations in soda-lime glass. - J. Material Science,15, 1417–1424.Google Scholar
  20. Hodgson, P. A. (1961): Classification of structures on joint surfaces. - Am. J. Sci.,259, 439–502.Google Scholar
  21. Hoeppener, R., Kalthoff, E. &Schrader, P. (1970): Zur physikalischen Tektonik. Bruchbildung bei verschiedenen affinen Deformationen im Experiment. - Geol. Rundschau,59, 179–193, Stuttgart.Google Scholar
  22. Hoppin, R. A. (1958): Precambrian rocks and their relation to Laramide structure along the east flank of the Bighorn Mountains near Buffalo, Wyoming (abs.). - Geol. Soc. Am. Bull.,69, 1586.Google Scholar
  23. Kerkhof, F. &Sommer, E. (1964): Das Bild der Bruchfläche (von Gläsern). - In: Handb. Mikrosk. Technik (Hg.: H. Freund), IV, 4, 171–192, Frankfurt a.M. (Umschau).Google Scholar
  24. Kies, J. A., Sullivan, A. M. &Irvin, G. R. (1950): Interpretation of Fracture Markings. - J. Appl. Phys.,21, 716–720.Google Scholar
  25. Kurze, M. (1981): Zum Problem der Entstehung von Wellenstreifen und Querplattung im Muschelkalk. - Z. geol. Wiss.,9, 489–499, Berlin.Google Scholar
  26. Lutton, R. J. (1969): Systematic Mapping of Fracture Morphology. - Geol. Soc. Am. Bull.,80, 2061–2066.Google Scholar
  27. — (1971): Tensile fracture mechanics from fracture surface morphology. - In: Dynamic Rock Mechanics (G. B. Clark, ed.), Baltimore (Port City Press).Google Scholar
  28. Muehlberger, W. R. (1961): Conjugate joint sets of small dihedral angles. - J. Geol.,69, 211–219, Chicago.Google Scholar
  29. Murgatroyd, J. B. (1942): The significance of surface marks on fractured glass. - J. Soc. Glass Tech.,26, 155–171.Google Scholar
  30. Nadai, A. (1950): Theory of flow and fracture of solids. - 572 S., New York (McGraw Hill).Google Scholar
  31. Nickelson, R. P. &Hough, V. D. (1967): Jointing in the Appalachian Plateau of Pennsylvania. - Geol. Soc. Am. Bull,78, 609–630.Google Scholar
  32. Parker, J. M. (1942): Regional systematic jointing in slightly deformed sedimentary rocks. - Geol. Soc. Am. Bull.,53, 381–408.Google Scholar
  33. Price, N. J. (1975): Fault and Joint Development in Brittle and Semi-brittle Rock. - 176 S., Oxford (Pergamon).Google Scholar
  34. Raggatt, H. G. (1954): Markings on joint surfaces in Anglesea member of Demon's Bluff formation, Anglesea, Victoria.- Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol.,38, 1808–1810.Google Scholar
  35. Reiff, W. (1979): Subparallel shock fractures; an impact specific deformation. - Meteoritics,14, 524–525.Google Scholar
  36. Roberts, J. C. (1961): Feather-fracture and the mechanics of rock jointing. - Am. J. Sci.,259, 481–492.Google Scholar
  37. Schardin, H. (1950): Ergebnisse der kinematographischen Untersuchung des Glasbruchvorganges. - Glastechn. Ber.,23, 1–10, 67–79, 325–356.Google Scholar
  38. —,Elle, D. &Struth, W. (1940): Über den zeitlichen Ablauf des Bruchvorganges in Glas und Kunstglas. - Z. techn. Phys.21, 393–400.Google Scholar
  39. Schinker, M. (1975): Zum Bruchverhalten von KCl-Ein-kristallen unter dem Einfluß von Ultraschallwellen.- Dissertation, TU Karlsruhe, 166 S., Karlsruhe.Google Scholar
  40. Schrader, P. (1970): Bruchbildung in Modellsubstanzen durch Deformationen mit monokliner Symmetrie. - Dissertation, Universität Bochum, 86 S., Bochum.Google Scholar
  41. Schwarz, H.-U. (1975): Sedimentary structures and facies analysis of shallow marine carbonates (Lower Muschelkalk, Middle Triassic, Southwestern Germany). - Contrib. Sediment.,3, 100 S., Stuttgart.Google Scholar
  42. Schwarzmeier, J. (1978): Erläuterungen zur Geol. Karte von Bayern, 1∶25000, Blatt 6024 Karlstadt und Blatt 6124 Remlingen, 155 S., München.Google Scholar
  43. Smekal, A. (1950): Über den Anfangsverlauf der Bruchgeschwindigkeit im Zerreißversuch. - Glastechn. Ber.,23, 186.Google Scholar
  44. Spencer, E. W. (1959): Geologic evolution of the Bear-tooth Mountains, Montana and Wyoming, Part 2. Fracture patterns.- Geol. Soc. Am. Bull.,70, 467–508.Google Scholar
  45. Vossmerbäumer, H. (1973): Die »Lösungsrippeln« (Schmitt 1935) im Wellenkalk Frankens. - N. Jb. Geol. Paläont. Abh.,142, 3, 351–375, Stuttgart.Google Scholar
  46. Wallner, H. (1939): Linienstrukturen an Bruchflächen. - Z. Physik,114, 368–378.Google Scholar
  47. Wise, D. V. (1959): Regional pattern of Precambrian microjoints in the middle Rocky Mountains (abs.). - Geol. Soc. Am. Bull.,70, 1701.Google Scholar
  48. Woodworth, J. B. (1897): On the fracture systems of joints, with remarks on certain great fractures. - Boston Soc. Nat. History Proc.,27, 163–182.Google Scholar

Copyright information

© Ferdinand Enke Verlag Stuttgart 1986

Authors and Affiliations

  • Kord Ernstson
    • 1
  • Martin Schinker
    • 2
  1. 1.Würzburg
  2. 2.Fraunhofer-Institut für WerkstoffmechanikFreiburg

Personalised recommendations