Zusammenfassung
Die Genese tektonischer Strukturen ist nicht direkt beobachtbar. Unsere einzige Arbeitsgrundlage sind die Spuren der Deformation im Fels, also das tektonische Gefüge. Im Gegensatz zu den meisten anderen naturwissenschaftlichen und technischen Fächern ist in der Tektonik ein Vergleich der Vorgänge im Experiment mit denen im Objekt im allgemeinen nicht möglich. Hieraus erklärt sich, daß das Experiment in der Tektonik bisher nur eine geringe Bedeutung erlangt hat. Jede tektonische Deutung ist aber ein Analogieschluß, bei dem Erfahrungen aus dem täglichen Leben oder die anderer Naturwissenschaften eingesetzt werden. Dieses Vorgehen muß durch ein exakteres, nämlich durch den Einsatz gezielter Experimente, abgelöst werden.
Da aus dem obengenannten Grunde die Rückkopplung zwischen Experiment und Natur nur unvollkommen durchzuführen ist, besteht der Sinn tektonischer Experimente nicht darin, eine bestimmte natürliche Struktur nachzubilden, sondern darin, die Reaktionsmöglichkeiten von Festkörpern bei Deformation kennenzulernen. Experimente und Naturbeobachtung zeigen, daß es nur eine begrenzte Zahl von Reaktionsarten festen Materials bei Deformationen gibt. Diese Reaktionsarten unterscheiden sich nach der Art der Gefügeelemente, die bei der Deformation ausgebildet werden (Abb. 1). Bei den hier besprochenen Gefügeelementen handelt es sich um Trennbrüche (Spalten), Verschiebungsbrüche, Knickzonen und Normalfalten. Die Faltenachsenfläche der Knickzonen liegt einer Ebene größter Scherung etwa parallel, die der Normalfalten senkrecht zur Richtung größter Einengung.
Die einzelnen Gefügeelemente treten in verschiedenen räumlichen Anordnungen auf, die als Gefügetypen bezeichnet werden. Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf Gefügetypen mit rhombischer und monokliner Symmetrie.
Die Abb. 1 stellt einen Ausschnitt aus einem System der Gefügetypen dar, in dem die einzelnen Gefügetypen entsprechend ihrer gegenseitigen Verwandtschaft angeordnet sind. Dieses System erlaubt es uns, die bisherigen tektonischen Experimente zu ordnen und auf Lücken unserer experimentellen Erfahrung hinzuweisen.
Abstract
Because the formation of tectonic structures cannot be observed directly, the study of such structures is restricted to an investigation of the traces of deformation within the rock itself, i.e. the tectonic fabric. In contrast to most other fields of research in science and technology the study of tectonics does not allow a direct comparison between experimental and natural processes, and for this reason, experimentation has until now played only a minor role in tectonic research. All tectonic interpretations, however, are based on analogies with observations made in everyday life or phenomena in related scientific fields. Clearly this procedure should be replaced by more accurate methods, which include objective experiments.
Since the link between experiment and nature is at best incomplete, the goal of tectonic experimentation is not to simulate specific natural structures, but to investigate the different ways by which solids may react to deformations. Experiments and observations show that solid material may undergo only a limited number of such reactions. These reactions differ due to the form of fabric elements formed during deformation (Fig. 1).
The discussion below is restricted to the following fabric elements: tension fissures, faults, kink-bands, and normal folds. The axial plane of kink-bands nearly parallels the plane of maximum shearing strain. The axial plane of normal folds is normal to the direction of maximum shortening.
The various fabric elements are found in different spatial arrangements called fabric types. The discussion below is restricted to fabric types with orthorhombic and monoclinic symmetry.
Fig. 1 illustrates part of a fabric type system in which the different fabric types are arranged according to their reciprocal relationship. This system allows the ordering of previous tectonic experiments and indicates the gaps in our experimental knowledge.
Résumé
La genèse des structures tectoniques n'est pas directement observable. Nos seules bases de travail sont les traces de la déformation dans les roches, autrement dit la texture tectonique. A l'opposé de la plupart des autres branches des sciences naturelles et des branches techniques, on ne peut généralement pas comparer, en tectonique, les processus fournis par l'expérimentation avec ceux qui en font l'objet. Ce qui explique que jusqu'à présent, l'expérimentation en tectonique n'a eu qu'une portée médiocre. Chaque interprétation tectonique est en fait liée à une finalité analogique tirée de comportements dans la vie quotidienne ou dans d'autres sciences naturelles. Ce procédé doit faire place à un autre, plus exact, principalement par la mise en oeuvre d'expériences bien orientées.
Comme, pour les raisons citées plus haut, le couplage entre l'expérimentation et la nature ne peut être réalisé que de façon imparfaite, il faut que le sens de l'expérimentation tectonique consiste, non pas à reproduire une structure naturelle donnée, mais à reconnaître quelles sont les possibilités de réaction des corps solides à la déformation. L'expérimentation et l'observation de la nature montrent que les modalités réactionelles des matériaux solides vis-à-vis de la déformation existent seulement en nombre limité. Ces modalités différent selon les éléments structuraux impliqués dans la déformation. Les éléments texturaux discutés ici sont les fissures, les plans de glissement, les zones en chevron et les plis normaux. Le plan axial des zones en chevrons es parallèle à un plan de fort cisaillement; celui des plis normaux est perpendiculaire à la direction de plus grand resserrement.
Chacun des éléments texturaux répond à différentes dispositions spatiales dont la signification est celle de types texturaux. Les déductions qui suivent se limitent à des types texturaux à symétrie rhombique et monoclinique.
La fig. 1 représente une coupe dans un système de types texturaux dans lequel chacun de ceux-ci a été rangé conformément à leur parenté réciproque. Ce système nous permet de mettre de l'ordre dans les expériences tectoniques poursuivies jusqu'à ce jour, et de mettre en évidence les lacunes dans notre pratique expérimentale.
Краткое содержание
Генезис тектоническ их структур наблюдат ь непосредственно нел ьзя. Здесь единственной исходн ой точкой являются сл еды деформации в скалах, и менно тектоническая текст ура. В тектонике, в противоположность б ольшенству иных природоведческих и т ехнических наук, пров ести параллель между проц ессами, имеющими место при эк сперименте, и процесс ами, протекавшими в объек те, не удается. Отсюда вытек ает очень незначител ьная роль эксперимента в тек тонике. Т.о. всякое тект оническое заключени е является выводом по аналогии, из опыта повседневно й жизни, или других вет вей естествознания. Тако й подход необходимо заменить более точным, именно п роведением целеустремленных экспериментов.
Т. к. из приведенного вы шесвязать экспериме нтальные данные и природные явления удается толь ко очень неполно, то см ысл тектонических экспе риментов состоит не в подражан ии неким известным пр иродным структурам, а в познан ии возможных ответных р еакций твердых тел во время деформации их. Экспер имен ты и наблюдения приро ды показали, что при де формациях имеется только очень ограниченное число т ипов реакций твердог о материала. Эти типы реакции разл и чаются по роду элемен тов текстуры, возника ющих при деформации (рис. 1). Здесь говорится о тек тонических разрывах (трещинах), раздомах смещения, зонах изломов и обычн ых складках. Плоскост и осей складок в зонах излом ов лежат примерно парал лельно к плоскости бо льшего сдвига, а таковые обыч ных складок — перпендику лярно к направлению б ольшего сужения.
Отдельные текстурны е элементы распредел ены в пространстве различ но, давая текструные типы. Даль нейшее описание огра ничивается только текстурными типами с ромбической и моноклинной симмет рией.
На рис. 1 представлен од ин участок системы те кстурных типов, в которых отдельные типы текст уры расположены по их родству. Эта система разрешает нам упорядочить пров еденные до сих пор тек тонические эксперименты и заос трить внимание на про белах в наших экспери ментальных данных.
Schriftenverzeichnis
Anderson, T. B.: The geometric of a natural orthorombic system of kink bands. - In: Proceedings, Conference on Research in Tectonics, Herausgeb.:A. J. Baer &D. K. Norris, Geol. Surv. Canada, Pap.68–52, 200–220, Ottawa 1969.
Biot, M. A.: Mechanics of incremental deformations. - 505 S., New York (Wiley) 1965.
Borg, I., &Handin, J.: Experimental deformation of crystalline rocks. - Tectonophysics,3, 249–368, Amsterdam 1966.
Brace, W. F.: Brittle fracture of rocks. - In: State of stress in the earth's crust, Herausgeb.:W. R. Judd, 111–174, New York (Elsevier) 1964.
Chapple, W. M.: Fold shape and rheology: the folding of an isolated viscous-plastic layer. - Tectonophysics,7, 97–116, Amsterdam 1969.
Cloos, E.: Experimental analysis of fracture patterns. - Bull. Geol. Soc. Amer.,66, 241–256, New York 1955.
—: Bedding slips, wedges and folding in layered sequences. - C. R. Soc. Geol. Finnland,33, 105–122, Helsinki 1961.
—: Experimental analysis of Gulf Coast fracture patterns. - Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol.,52, 420–444, Tulsa 1968.
Cloos, H.: Experimente zur inneren Tektonik. - Cbl. Min. etc., Abt. B,1928, 609–621, Stuttgart 1928.
—: Künstliche Gebirge. - Natur und Museum,1929, 225–243, Frankfurt 1929.
—: Zur experimentellen Tektonik. Methodik und Beispiele. - Naturwissenschaften,18, 741–747, Berlin 1930.
—: Zur experimentellen Tektonik. Brüche und Falten. - Naturwiss.,1931, 242–247, Berlin 1931.
—: Einführung in die Geologie. - 503 S., Berlin (Bornträger) 1936.
Cobbold, P. R., Cosgrove, J. W., &Summers, J. M.: Development of internal structures in deformed anisotropic rocks. - Tectonophysics,12, 23–53, Amsterdam 1971.
Currie, J. B., Patnode, H. W., &Trump, R. P.: Development of folds in sedimentary strata.- Bull. Geol. Soc. Amer.,73, 655–674, New York 1962.
Donath, F. A.: Kink banding as a mechanism of faulting in anisotropic rocks. - Trans. Amer. Geophys. Union,45, 103–104, Richmond 1964.
—: Experimental study of kink-band development in Martinsburg slate. - In: Proceedings, Conference on Research in Tectonics, Herausgeb.:A. J. Baer &D. K. Norris, Geol. Surv. Canada, Pap.,68–52, 255–288, Ottawa 1969.
Dewey, J. F.: Nature and origin of kink-bands. - Tectonophysics,1, 459–494, Amsterdam 1965.
Emmons, R. C.: Strike-slip rupture patters in sand models. - Tectonophysics,7, 71–87, Amsterdam 1969.
Flinn, D.: On folding during three-dimensional progressive deformation. - Quart. J. Geol. Soc. London,118, 385–428, London 1962.
Friedman, M.: Petrofabric techniques for the determination of principal stress directions in rocks. - In: State of stress in the earth's crust, Herausgeb.:W. R. Judd, 451–550, New York (Elsevier) 1964.
Ghosh, S. K.: Experimental tests of buckling folds in relation to strain ellipsoid in simple shear deformations.- Tectonophysics,3, 169–185, Amsterdam 1966.
—: Experiments of buckling of multilayers which permit interlayer gliding. - Tectonophysics,6, 207–249, Amsterdam 1968.
Griffith, A. A.: The phenomena of rupture and flow in solids. - Phil. Trans. Roy. Soc. London, Ser. A,221, 163–197, London 1920.
Hafner, W.: Stress distribution and faulting. - Bull. Geol. Soc. Amer.,62, 373–398, New York 1951.
Hoeppener, R.: Tektonik im Schiefergebirge. - Geol. Rdsch.,44, 26–58, Stuttgart 1955.
—: Zum Problem der Bruchbildung, Schieferung und Faltung. - Geol. Rdsch.,45, 247–283, Stuttgart 1956.
—: Vorläufige Mitteilung über ein genetisches System tektonischer Gefügetypen. - N. Jb. Geol. Paläont. Mh.,1959, 353–367, Stuttgart 1959.
—: Ein Vergleich der Großgefügetypen von Faltengebirgen verschiedenen Baustils, dargestellt am Beispiel des Schweizer Juras, des Rheinischen Schiefergebirges und des Ruhrkarbons. - Geol. Rdsch.,50, 449–457, Stuttgart 1960.
—: Grundlagen einer Systematik tektonischer Gefüge. - Geol. Rdsch.,50, 77–83, Stuttgart 1961.
—: Probleme der physikalischen Tektonik. Elastische Spannungen und Reibungsspannungen. - Z. Dtsch. Geol. Ges.,114, 206–227, Hannover 1963.
—: Zur physikalischen Tektonik. Darstellung der affinen Deformationen, der Spannungs- und der Beanspruchungszustände mit Hilfe der flächentreuen Kugelprojektion. - Felsmechanik und Ingenieurgeol.,2, 22–44, Wien 1964.
Hoeppener, R., Kalthoff, E., &Schrader, P.: Zur physikalischen Tektonik. Bruchbildung bei verschiedenen affinen Deformationen im Experiment. - Geol. Rdsch.,59, 179–193, Stuttgart 1969.
Hubbert, M. K.: Theory of scale models as applied to the study of geologic structures. - Bull. Geol. Soc. Amer.,48, 1459–1520, New York 1937.
—: Strength of the earth. - Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol.,29, 1630–1653, Tulsa 1945.
—: Mechanical basis for certain familiar geologic structures. - Bull. Geol. Soc. Amer.,62, 355–372, New York 1951.
Johnson, A. M.: Physical processes in geology. - 577 S., San Francisco (Freeman, Cooper) 1970.
Kalthoff, E.: Bruchbildung in Modellsubstanzen bei Deformationen mit axialer und rhombischer Symmetrie. - Diss., 93 S., Bochum 1970.
Koenigsberger, J., &Morath, O.: Theoretische Grundlagen der experimentellen Tektonik. - Z. Dtsch. Geol. Ges.,65, Mber., 65–86, Stuttgart 1914.
Kuenen, P. H., &de Sitter, L. U.: Experimental investigation into the mechanism of folding. - Leidse Geol. Mededel.,10, 240–271, Leiden 1938.
Mohr, O.: Abhandlungen aus dem Gebiet der technischen Mechanik. - 2. Aufl., Berlin (Ernst & Sohn) 1914.
Nadai, A.: Theory of flow and fracture of solids. I. - 572 S., 2.Aufl., New York (McGraw-Hill) 1950.
Paterson, M. S., &Weiss, L. E.: Experimental deformation and folding in phyllite. - Bull. Geol. Soc. Amer.,77, 343–374, New York 1966.
Ramberg, H.: Evolution of ptygmatic folding. - Norsk. Geol. Tidsskr.,39, 99–152, Bergen 1959.
—: Contact strain and folding instability of a multi-layered body under compression. - Geol. Rdsch.,51, 405–439, Stuttgart 1962.
—: Strain distribution and geometry of folds. - Bull. Geol. Inst. Univ. Uppsala,17, 1–20, Uppsala 1963.
—: Selective buckling of composite layers with contrasted rheological properties, a theory for simultaneous formation of several orders of folds. - Tectonophysics,1, 307–341, Amsterdam 1964.
Ramberg, H., &Stephansson, O.: Compression of floating elastic and viscous plates affected by gravity, a basis for discussing crustal buckling. - Tectonophysics,1, 101–120, Amsterdam 1964.
Ramsay, J. G.: The geometry of conjugate fold systems. - Geol. Mag.,99, 516–526, Hertford 1962.
—: Folding and fracturing of rocks. - 568 S., New York (McGraw-Hill) 1967.
Sander, B.: Gefügekunde der Gesteine. - 352 S., Wien (Springer) 1930.
—: Einführung in die Gefügekunde geologischer Körper. -1, 215 S., 2, 409 S., Wien (Springer) 1948, 1950.
Scheidegger, A. E.: Principles of geodynamics. - 2. Aufl., 362 S., Berlin (Springer) 1962.
Schmidt, Walter: Gesteinsumformung. - Denkschr. naturhist. Mus. Wien,3, Geol. Paläont. Reihe 3, 68 S., Leipzig (Deuticke) 1925.
—: Tektonik und Verformungslehre. - 208 S., Berlin (Bornträger) 1932.
Schmidt-Thomé, P.: Klufttektonik und Großstrukturen in den nördlichen Kalkalpen. - Geol. Rdsch.,42, 172–187, Stuttgart 1954.
Schrader, P.: Bruchbildung in Modellsubstanzen durch Deformationen mit monokliner Symmetrie. - Diss., 86, Bochum 1970.
de Sitter, L. U.: Structural geology. - 551 S., New York (McGraw-Hill) 1964.
Weiss, L. E.: Flexural-slip folding of foliated model materials. - In: Proceedings, Conference on Research in Tectonics, Herausgeb.:A. J. Baer &D. K. Norris, Geol. Surv. Canada, Pap.,68–52, 294–357, Ottawa 1969.
Whitten, E. H. T.: Structural geology of folded rocks. - 678 S., Chicago (Rand McNally) 1966.
Willis, B.: Mechanics of Appalachian structure. - U.S. Geol. Surv. A. R.,13, 211–283, Washington 1893.
Wunderlich, H. G.: Lineare und planimetrische Einengung bei Faltung und Schieferung. - N. Jb. Geol. Paläont. Mh.,1959, 49–65, Stuttgart 1959 (1959 a).
—: Planimetrische und volumetrische Einengung bei Faltungsvorgängen. - N. Jb. Geol. Palä ont.,1959, 168–180, Stuttgart 1959 (1959 b).
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Aus dem SFB 77 - „Felsmechanik“ - Karlsruhe.
Die Untersuchungen über Gefügetypen im Gelände und im Experiment wurden dankenswerterweise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, seit 1970 im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Felsmechanik“, unterstützt. Meinen Mitarbeitern, Herrn Dipl.-Phys. H.Mischke, Herrn Dipl.-Ing.Klaus Müller und Herrn Dr. G.Schäfer danke ich für ihre Hilfe bei der Abfassung des Manuskriptes.
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Hoeppener, R. Stellung des Experimentes im Rahmen tektonischer Forschung. Geol Rundsch 61, 789–805 (1972). https://doi.org/10.1007/BF01820891
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