Strukturgeologie

Basierend auf deformation:

• Risse, Brüche
• Bewegungen entlang des Bruches
• Plastische Deformation (ohne Brüche)
• Diffusion; Transport zb via Fluid oder von Feststoff zu Feststoff

Basierend auf Geologischer Bedeutung:

• Primärstrukturen; entstehen während Gesteinsbildung
• Diagenetische Strukturen; nicht tektonisch, sekundär, caused by overburden
• nichttektonische Strukturen; Gravitativ (durch zb ablagern schichten oben drauf)
• Tektonische Strukturen; Sekundärstrukture, welche durch einen Externen Prozess entstehen (Plattenbewegungen)

zusätzlich:

• Deformationsmechanismus; Lehre des Prozesses, von atom zu korngrösse, der zu Strukturen führt
• Tektonik; Beziehung zwischen strukturen und tektonischen Prozessen

Primärstrukturen:

• gleichzeitig wie entstehung gestein, struktur konsequenz von Gestein entstehung
  --> May indicate the younging up
  

  • Zb Sedimentstruktur (in VL ausgeführt), Magmatische Foliation, Migmatite, Ignimbrite

Nicht tektonische Sekundärstrukturen:

• Diagenetisch;
  

  • Kompakte sedimente, verlust porosität (bereits lithifizierte Schichten vorhanden)

• Brüche und falten können auch nicht tektonisch sein

Tektonische Sekundärstrukturen:

• Risse, Klüfte
• Falten
• Brüche; Bruchflächen haben teils horizontalstrukturen --> Blattverschiebung
• Knickfalten; Brüche entlang Faltenachsenebene

Grundlegenden Formeln:

• Kraft $F=ma$, $[F]=Kg \cdot m/s^2=N$
  --> Stress $[ \sigma] = [F]/[A]$, in pascal Pa, + für kompression, - für tension
  
  

$\sigma_n = 1/2(\sigma_1 + \sigma_3) +1/2(\sigma_1 - \sigma_3) \cdot cos(2\theta)$
$\sigma_s = 1/2(\sigma_1 -\sigma_3) \cdot sin(2\theta)$

• Deviatoric stress $\sigma_{dev} = \sigma^{'}_1 = \sigma_1-\sigma_{mean}$
• $\sigma_H = \nu \sigma_{vert} /(1-\nu)$, wobei $\nu = poisson ratio =0.25-0.35$

• $\Delta l = l_f - l_i$

  
  

  $e= \Delta l/ l_i = (l_f - l_i)/l_i$

  
  

  $s=l_f/l_i=1+e = \beta$

  
  

• $G=\sigma_s/\gamma$ , $\gamma= Shear \ strain$

• $\dot{e}=\dot{\varepsilon}=e/t$

  
  

• $\gamma=\tan(\psi)=2/\tan(2\theta'), \ \theta' =$ Angle between foliation and shear-zone boundary

Mohr-Diagramm:

-\( radius = 1/2(\sigma_1 - \sigma_3 ) \)
-Differentialstress \( \sigma_{diff} = ( \sigma_1 - \sigma_3) \)

• es wird \(2\theta\) geplotted, wobei in 2D diagrammen immer nur \( \theta\) abgebildet ist
• jeder Punkt auf Kreist stellt eine Ebene dar
• links auf \(\sigma_n\) Achse ist \(\sigma_3\), rechts \(\sigma_1\) (=X-Achse), Die Y-Achse besteht aus der Scherspannung \(\sigma_s\)

Stress tensor:

\( \begin{bmatrix} \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \cr \sigma_{21} & \sigma_{22} & \sigma_{23} \cr \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} \end{bmatrix}\)

in 1 D kann die Extension/verlängerung gemessen werden.

• dafür wird die Initiale Länge \( l_i \) und die Aktuelle Länge \( l_f \) gemessen.
  Die Längenänderung kann nun berechnet werden: \(\Delta l = l_f - l_i \)
  Ausserdem kann die Elongation \(e\) auch berechnet werden: \( e= \Delta l/ l_i = (l_f - l_i)/l_i \)
• Der Stretch (auch Stretching factor genannt) kann auch bestimmt werden: \(s=l_f/l_i=1+e = \beta \)

In 2D ist ersichtlich, dass, bei Homogenem Strain, sich die Orientierung und die Länge der einzelnen Partikel verändert!

• Mithilfe der Strain ellipse wird dies gezeigt. Wobei hier die X- Achse die längere ist und \(X =1+e_1 =S_1 \) und für \(Y=1+e_2 = S_2\) gilt
  Das Achsenverhältnis wird als elliptizität bezeichnet \( R=(1+e_1)/(1+e_2)=X/Y\)
• Pure shear; perfekt coaxial, es gibt keine Rotation. hier gilt \(k_y=1/k_x\)
• Simple shear: nicht coaxiale deformation; interne rotation. der Winkel kann berechnet werden: \( \gamma = \tan(\Psi)=x/y\), wobei \(\Psi\) der ursprüngliche Winkel ist. die Achsen des ursprungskreises werden gedreht in dem Ellipsoid!
  
• die Mischform dieser beiden Strain arten wird subsimple shear (auch general shear) genannt. diese deformation ist nich-coaxial, und hat nur leichte interne rotation.
  \(\to\) auch hier variiert die Shear art je nach Skala. Was Kleinmassstäblich nach zb simple shear aussieht kann grossmassstäblich ein pure shear sein.

In 3D wird mit einem Ellipsoid gearbeitet.

• längste Achse ist X, dann Y und zuletzt Z
• Die Veränderung ist 1D, wenn nur eine Achse verändert wird. Diese Verformung nennt man auch Uniaxial
• werden 2 Achsen verändert ist die Verformung 2D oder auch Planar genannt
• bei 3 Achsen 3D
• Die Form des Ellipsoids ist charakterisiert mit dem K-Wert \( k=(r_{xy} -1)/(R_{yz} -1)\)
  \(R_{xy}=X/Y \,und \, R_{yz}=Y/Z \)
  

  • Die Form wird unterschieden zwischen den "cigars"(X>>Y>=Z) und den "pancakes" (X<=Y<<Z)
  • bei k=1 findet pure strain statt
    
    

Coaxial strain:

• infinitesemal strain axes (X,Z) bleiben Parallel zu den finite strain achsen während deformation
  \(\to\) Pure shear
  
  

non-coaxial strain:

• infinitesemal axes sind während deformation nicht parallel zu finite strain axes
  \(\to\) Simple shear

Falten und boudinage (zerbrfechen einer Struktur) können während einer Deformationspahse gleichzeitig entstehen, wenn sie nicht diesselbe orientierung haben.

Rock deformation experiments:

• Creeps regimes: Druck wird konstant erhöht, die Temp bleibt immer ähnlich, \(\sigma_{diff}\)
  drei creep regimes:

1. primary creep
2. secondary/steady-state creep; linear strain
3. accelerated creep, increased with time
   
   

• Plastic flow law: \(\dot{e}=A\sigma_{diff}^n \exp(-Q/R \cdot T)\) (vgl F133ff)

• Brittle= Material, welches bricht

• ductile = Material, welches strain akkumuliert, ohne brüche

  
  

  • ductile deformation ?? F 137 ff
    
    

  

• Fracture = Bruch
• Extension fractures = Extensionsriss
• joints = Kluft: kaum bis mikroskopische öffnung
• Fissure: Mit Luft/Fluid gefüllter Riss
• Vein: Material gefüllter Riss
• Dyke: Magma in Rissen
• Fault = Verwerfung (~Bruch)

Extension fractures

• Zugspannung \(\to\) tensile fractures
• low confining pressure \(\to\) S-Artiger Bruch= longitudianl Splitting
• fluid pressure \(\to\) local tensile stress

Von Mises criterion f 150

• für plastische deformation

• bei hoher confining pressure

  
  

  ???????

  
  
  

  

Frictional Sliding

• Diskontinuität/Bruch im Gestein, auf welcher das Gestein gleiten kann
• failure criterion: Reaktivierung einer Schwächezone, \(\sigma_{diff}\) wird gemessen bei failure
  \(\to\) unabhängig vom Gestein; \(\sigma_s/\sigma_n=const.=\mu\) = byerlee's law
  F 153 ??

Durch Porendruck wird der Kreis (ohne grössenänderung) nach links geschoben; porenwasser macht das Gestein instabiler

Morphologie:

• Front
  

  • Coin shaped
  • Blade shaped

• Surface
  

  • Federstruktur
  • (Twist Hackle) en-echelon fractures; bilden sich am rande einer grösseren Kluft
  • Hackle fringe; ende der Bruchebene, wo twist hackle entstehen
  • Arrest Line; ??
  • Hackles; kleine Änderungen im Spannungsfeld

Kluft arrays:

• systematic joints: planare klüfte, parallel oder subparallel, ungefähr gleiche abstände über fläche verteilt
  \(\to\) joint set besteht aus mehreren systematic joints
  \(\to\) anzeiger regionalem tektonischem Druckes
• Nonsystematic joints: unregelmässige verteilung, nichtparallel
  \(\to\) Anzeiger lokalen Heterogenitäten in einem Druck feld

Je dicker das "bed", desto grössere Abstände zwischen den Klüften
\(\to\) die Abstände ("Spacing") ist ähnlich wie die Schichtdicke ("Bed thickness") und sie sind abhängig von der Lithologie (stiffness)

Verbindung mit stress:

• Klüfte formen sich parallel zu \(\sigma_1\), \(\sigma_3\) ist Senkrecht zu den Klüften, \(\sigma_2\) ist senkrecht zum Blatt (aus Fläche heraus)
• Regionaler uplift: erosion des "overburden" führt zu vertikalen klüften, durch abkühlung, kontraktion und expansion
• Exfoliation kluft: subparallel zur topografie
• hydrofracturng: Unter porendruck
  -contractional Events: ??
  -faulting

Fault Bend: = Rampenantiklinale?

abrupter wechsel im dip oder strike eines faults

• fault bend
• fault-propagation (gekippte falte am ende einer rampenantiklinale)
• Detached Fold (jura)

Es gibt Brüche, welche an der Oberfläche sichtbar sind, und blind faults. der Zweite birgt risiken, da sie oft unbekannt sind und ychwere erdbeben auslösen können.

• tip line = grenze zwischen einer "slipped und unslipped" region am ende eines Faults

Fault klassifikation

• kohäsiv oder inkohäsiv? Korngrösse? foliation?
  
  F 184 ff

Slickenslide= oberfläche des Faults poliert durch frictional sliding
slip lineations: Lineation auf fault durch slip; Groove lineation( Durch aneinanderreiben der beiden wände), slip fibers (auf bruch oberfläche)

Terminologie:

• Faltenachse = hingeline = Linie der Höchsten Krümmung
• Topografisch höchster punkt = crestline
• topografisch tiefster Punkt = Through line
• axial surface = Achsenebene; Ebene durch alle Faltenachsen

Faltenarten:

• Chevron folds: Knickartige Umbiegung, scharfe faltenschenkel
• Kink Bands: Eckig, boxartig, mehrere Faltenachsen an umbiegungen
• Cuspate Folds: Nach oben spitz, nach unten flach ~Tannenbaum
  Box folds: keine richtige Faltenachsen, ~kink bands, aber rund

Form, Alter

• Antiform: konvex nach oben (Berg)
• Synform: Konvex nach Unten (Tal)
• Antiklinale: Nach aussen/oben wird es jünger
• Synklinale: Nach aussen/Oben wird es älter
• Fold facing: Projektion der Jüngung, ändert sich in der Falte

Klassifikation:

• mit dem Interlimb angle: isoclinal - tight - open - gentle
• mit dicke veränderungen:
  \(t_0\) = Dicke an Faltenachse, \(t_{\alpha}\) = Dicke zwischen zwei parallelen Tangeten
  

  • Class 1; convergent dip isogons - gehen im Kern näher aneinander
    \(t_0
  • class 2; parallele Dip Isogonen \(\parallel\) Achsenebene
    \(t_0=t_{\alpha}\)
  • class 3: divergierende dip isogonen - divergieren im Kern der Falte
    Diese Falte befindet sich zwischen class 1B folds
    \(t_0>t_{\alpha}\)

• relative beugung des inneren und äusseren Bogens:
• innen > aussen = Class 1
• innen = Aussen = Class 2
• Innen < aussen = Class 3

Falten systeme:

• Parasitärfalten: entstehen in weniger mächtigen Schichten, da die Wellenlänge da kleiner ist.
• Z-Falte, S-Falte, M- oder W-Falte
  \(\to\) Blickwinkel wichtig! S und Z können je nach Blick variieren
• Symmetrische Falt und Asymmetrische Falte (gekippte Faltenachse)
• Ptygmatic folds: unregelmässig und eng verfaltete dünne schicht (zb Ader)
• En Echelon falte: Flaten, welche versetzt weiterlaufen
• Doubly plunging falte: Falte, welche eine gekrümmte faltenachse hat(?) F 202
• Sheath fold: starke umbiegung (bis zu 180°)

Anschreiben:

• L= Lineation (Schichtung, Schieferung = Intersektionslineare)
• D = Deformationsphase
• F = Folding phase
• S = Ebene

Superposed folding:

• Type 0: 2 Phasen, genau in dieselbe richtung (schwer erkennbar)
• Type 1: "dome-and-basin" = Eierkarton (2 Phasen, senkrecht zueinander)
• Type 2: Mushroom = Phase 1 flach, phase 2 senkrecht dazu
• type 3: "refolded - fold"=coaxial fold
  

• kontinuierliche Foliation: eine bevorzugte Orientierung, näher als 1mm beieinander (zb Schiefer)
• spaced Foliation: bevorzugte orientierung , aber offensichtliche Lücken
• Fabric = Komponenten in Gesteinsmassen (linear oder planar ausgerichtet)

Tektonite:

• S-Tektonite Planar fabric elements: planare fabrics dominieren ("pfannkuchen im Gestein")
• L-Tektonite: lineare fabrics dominieren
• LS-Tektonite: beides; Lineare und Planare fabrics im Gestein

related to plastic deformation:

• Intersektionslinear = 2 planare fabrics intersect, kann parallel zu axial plane sein
• Muillons: An der Grenze zwischen unterschiedlich kompetenten schichten, höckerartig
• pinch-and-swell and boudins: bei Schicht streckung fprmen sich "würste", wenn ganz separiert = boudins

Mylonites: Plastisch deformiert in Sherzonen

• Protomylonite: weniger als 50% der Körner sind geschrumpft
• Mylonite: proportion der Matrix zwischen 50% und 90%
• Ultramylonite: über 90% Matrix
• Blastomylonite: beides: feinkörnige und grobkörnige Matrix entstanden während mylonitisierung
• Clastomylonite: feinkörnige Matrix und grobe körner oder aggregate, welche nach der Mylonitisierung bleiben ??

Scherzonen indikatoren:

• Grain tail: sigma-type and delta type (dünne ausläufer durch rotation)
  F237
• disrupted grains: F237
• Foliation: S- Foliation \(\parallel\) XY-Plane, C-Foliation \(\parallel\) Scherzonenbegrenzung, C'-Foliation: Fliation schräg zu scherzonenbegrenzung ?? F 238

Strain in shear zones:

\(\gamma=\tan(\psi)=2/\tan(2\theta'), \ \theta' = \) Angle between foliation and shear-zone boundary (bei simple shear)

Décollement=detachement=glide horizon = sole thrust = Abscherhorizont:

• Horizontale kontraktion; Volumenverlust
• Pure shear, ohne falten
• Buckling: detachement folding (vgl Folding)
• thrusting; ältere gesteine auf jüngere überschoben

Geometrie:

• im Vorland: mit basal detachement

• Im Hinerland: basales Gestein ist mit eingebaut in thrust-fold --> Höher metamorph unter plastischen deformation

  
  

• Duplex: Rampenantiklinalen, viele neben/übereinander (flach)

• imbrication zone: Geneigte Faltenachse rampenantiklinale; viele übereinander ergeben steilen "Berg"

Detachement Folds:

• Falten, welche auf Abscherhorizont sins; dieser besteht aus weicheren Schichten (zb Evaporite; Salz)
  
  

Fold-and-Thrust Belts in Karten sind gebogen:

• durch basement highswird eine überschiebung aufgehalten ??
• Durch andere Schichten (zb Evaporite) weiter nach vorne
• durch dickere schicht, geht die üebrschiebung weiter nach vorne
• durch Reibung am Rand
• biegt sich um einen Kraton herum

Kontinentaler rift:

Kont. Lithosphäre wird gedehnt (extension)

Extensionsbrüche:

• Rollover antiklinale; Gerundete Bruchfläche
  
• Rollover syncline; Intersektion flach - Rampe
  

Low angle faults:

• starten als steile Brüche, flachen aber ab durch isostatische hebung

Aktiv rifting:

• rift entsteht drch heisse Mantel plumes aus dem Mantel
  
  

Passive rifting:

• rift durch far-field stress durch Plattentektonik

Inversion (wechsel in tektonischem Modus):

• basin inversion: Prozess der Verkürzung eines Sedimentbecken entstanden in extension
  

  • Type I, II, III F 280?
  • nur limitierte reaktivierung alter brüche Möglich
  • Orientierung des ursprungs grabens beeinflusst orientierung invertierter Strukturen
    

Synthesis:

• Im Feld nach hinweisen suchen (metamorphe Petrologie) im Labor (radiometrische datierung) um anzahl deformationsphasen herauszufinden
• Grt kann internfoliation aufweisen: Bestimmung Wachstum (Porphyroblasten; metamorphe minerale grössr als sonstige korngrösse; können Pre-/syn-/ oder Posttektonisch sein)
• Bestimmung metamorphen bedingungen (P, T)
• PT-Paths; retrograd (zuerst hoher druck, dann temp) und Prograd (zuerst hohe temp, dann druck)