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Klüfte

 
     
  feine Fugen im Gestein, an denen nur geringfügige Bewegungen stattgefunden haben. Sie entstehen durch Bruch. Die Bruchausbreitung kann dabei auf drei verschiedene Arten vonstatten gehen: a) Beim Bruch weichen die entstehenden Bruchflächen (=Kluftflächen) senkrecht zur Bruchebene auseinander. Dadurch entstehen Extensionsbrüche ( = Extensionsklüfte, Abb. 1a). b) Bruchparallele Relativbewegung senkrecht zur Bruchfront führt zum Scherbruch Typ A (Abb. 1b). c) Eine ebenfalls bruchparallele Relativbewegung, die aber parallel zur Bruchfront verläuft, führt zum Scherbruch Typ B (Abb. 1c). Brüche, an denen solche Verschiebungen parallel zu den Kluftflächen stattgefunden haben sind Verschiebungsbrüche. Als Klüfte im eigentlichen Sinn werden die Extensionsklüfte betrachtet.


Extensionsklüfte werden durch zwei ebene Bruchflächen charakterisiert, an denen keine merklichen Verschiebungen stattgefunden haben. Der Bruch breitet sich bei Extensionsklüften senkrecht zur Richtung der kleinsten Hauptspannung σ3 aus. Extensionsklüfte geben somit im dreidimensionalen Spannungszustand eindeutige Hinweise auf die Richtung der minimalen Hauptspannungsrichtung σ3 zur Zeit der Kluftentstehung. Die räumliche Orientierung der maximalen Hauptspannung σ1 und der mittleren Hauptspannung σ2 bleibt meist unklar, da beide Spannungen in der Kluftebene liegen (Abb. 2). Bei der Bruchausbreitung entstehen auf den Kluftflächen charakteristische kreisförmige, bei Bevorzugung einer bestimmten Richtung, reisigbesenartige Strukturen (Abb. 3). Wie weit sich eine Kluft im Gestein fortsetzen kann, hängt von der Differentialspannung an der Bruchfront ab, und inwieweit natürliche Barrieren die gerade Bruchausbreitung behindern oder blockieren.


Extensionsklüfte können offen sein, oder sie werden durch Mineralisationen bzw. durch Erosionsmaterial (z.B. feinsandige Tone, sog. Kluftletten) verfüllt. Verlaufen mehrere Klüfte zueinander parallel oder subparallel, bezeichnet man dies als Kluftschar. Klüfte bzw. Kluftscharen unterschiedlicher Orientierung, die genetisch zusammengehören, bilden ein Kluftsystem. Sämtliche in einem bestimmten Bereich vorkommenden Klüfte werden ohne Berücksichtigung ihrer zeitlichen und genetischen Entstehung als Kluftnetz bezeichnet. Kluftspur nennt man die Schnittlinie einer Kluft auf einer sie schneidenden anderen Fläche (z.B. auf einer Schichtfläche). Klüfte die regelmässige, subparallele Flächenscharen bilden, bezeichnet man als systematische Klüfte. Im Gegensatz dazu stehen die gebogenen, irregulären, nicht systematischen Klüfte. Diese verlaufen meist annähernd orthogonal zu den ersteren (Abb. 4). Klüfte gibt es in allen Längen, d.h. von Klüften im Mikrobereich bis hin zu über weite Entfernungen durchhaltenden systematischen Hauptklüften. In einheitlichen Gesteinen verlaufen Klüfte manchmal gekrümmt. In diesen Krümmungen gehen unterschiedliche Bereiche verschiedener Bruchklassen, d.h. vom Trennungsbruch zum Scherbruch ineinander über (Abb. 5). In tieferen Bereichen der Erdkruste (5 km und mehr) breiten sich Klüfte unter dem Einfluss von hohen Porenflüssigkeitsdrucken aus. Diese entstehen in Sedimentgesteinen während der Überlagerung und der vertikalen Kompaktion (Überlagerungsdruck). Durch das Aufreissen der Klüfte werden die hohen Porenflüssigkeitsdrucke wieder abgebaut.


Tektonische Klüfte entstehen im wesentlichen durch den gleichen Mechanismus. Hier sind die Spannungen tektonisch bedingt und bewirken eine horizontale Kompaktion. Tektonische Klüfte können deshalb auch in Erdtiefen von weniger als 3 km entstehen. In geringeren Tiefen begünstigt die Abnahme des Umlagerungsdruckes die Bruchausbreitung. Nahe der Erdoberfläche entwickeln sich in neotektonisch aktiven Gebieten Zugspannungen. Neotektonische Klüfte kennzeichnen oft Gebiete, die in jüngster geologischer Vergangenheit gehoben wurden oder sich noch im Hebungsprozess befinden (Neotektonik). Bei diesen Hebungsprozessen werden vorwiegend senkrechte Extensionsbrüche gebildet. Untergeordnet kommen jedoch auch steil einfallende konjugierte Brüche vor, die parallel oder schräg zu den Extensionsbrüchen verlaufen. Neotektonische Klüfte reichen bis in eine Tiefe von ca. 500 m. Voraussetzungen für die neotektonische Bruchausbreitung ist die mit den aktiven Hebungen einhergehende Denudation und die seitliche Entlastung. Tektonische Klüfte entwickeln sich häufig als untergeordnete Strukturen im oberflächennahen Bereich tektonischer Grossstrukturen und spiegeln dabei die Auswirkungen lokaler Spannungskonzentrationen wider. Extensionsklüfte entstehen z.B. in den Zerrungsbereichen zwischen absinkenden oder sich hebenden Blöcken (Abb. 6a), im Scharnierbereich eines absinkenden Beckens oder eines Kontinentrandes (Abb. 6b), parallel zu Grabenzonen (Abb. 6c, 6d) oder im Scharnier von Biegegleitfalten.


Die Kluftanalyse im Gelände liefert Informationen zur Geometrie und Zeitlichkeit der spröden Krustendeformation sowie zum Spannungsfeld. Dazu werden die charakteristischen Kluftrichtungen eingemessen sowie die relativen Altersbeziehungen der Klüfte zueinander bestimmt. Treffen jüngere offene Klüfte senkrecht auf ältere offene Klüfte, enden sie an diesen. Öffnet sich eine Kluft quer zu einer älteren offenen Kluft, so ergibt sich ein öffnunsbedingter Versatz der älteren offenen Kluft an der jüngeren Kluft. Bei verfüllten Klüften quert die jüngere verfüllte Kluft die Kluftfüllung der älteren Kluft. Die statistische Auswertung von Kluftrichtungen und Häufigkeitsverteilungen erfolgt in Kluftrosen oder über das Schmidtsche Netz (Lagenkugelprojektion).


Klüfte in Falten wurden und werden besonders im deutschsprachigen Raum in ihren geometrischen Beziehungen zu gefalteten Schichten in einem, der Faltengeometrie zugeordneten, orthogonalen Koordinatensystem mit den Achsen a, b, c beschrieben. Dabei verläuft die b-Achse parallel zur Faltenachse, die a-Achse liegt in der Schichtebene senkrecht zur b-Achse und die c-Achse steht senkrecht zur Schichtung (Abb. 7a). Klüfte parallel zur Ebene der a- und c-Achse werden als Querklüfte (Q-Klüfte, ac-Klüfte) bezeichnet (Abb. 7b). Klüfte parallel zur Ebene der b- und c-Achse nennt man Längsklüfte (Longitudinalklüfte, bc-Klüfte, Abb. 7c). Klüfte parallel zur Ebene der a- und b-Achse bezeichnet man als Lagerklüfte(ab-Klüfte, Abb. 7d). Diagonalklüfte bilden konjugierte tektonische Klüfte und gehören als Scherklüfte zu den Verschiebungsbrüchen.


Sämtliche Klüfte und kluftbezogene Strukturen (Stylolith) lassen sich in einem Kluft-Deformationsdiagramm darstellen (Abb. 8). Im undeformierten Zustand sind die λ1-Achse = Verlängerung und λ3-Achse =Verkürzung der Deformationsellipse gleich lang und haben die Einheitslänge 1 (Kreis im Diagramm). Veränderungen der λ-Werte führen zu den dargestellten Deformationsstrukturen. Das Expansionsfeld ist gekennzeichnet durch zwei Kluftscharen, die sich unter einem hohen Winkel kreuzen. Das Kontraktionsfeld ist gekennzeichnet durch zwei zueinander senkrecht stehenden Stylolithen-Oberflächen. Das Feld der linearen Verlängerung zeigt eine Kluftschar mit subparallelen Extensionsklüften; das Feld der linearen Verkürzung zeigt eine Kluftschar mit subparallelen Stylolithenflächen. Im Feld der Kompensationserscheinungen können mit vier kinematisch koordinierbaren Kluftarten gleichzeitig Verkürzungen und Verlängerungen stattfinden. Die Verkürzung an Stylolithenflächen ist senkrecht zur Extension mit Kluft- und Spaltenbildung. Die Bewegungen an den konjugierten Scherklüften (Mikroverwerfungen) verursacht bei reiner Scherung (pure shear) senkrecht gerichtete Verkürzung und horizontal gerichtete Verlängerung.


Atektonische Extensionsklüfte (Pseudotektonik) verlaufen als a) Entlastungsklüfte subparallel zur Erdoberfläche und entstehen meist in massiven magmatischen und metamorphen Gesteinen (z.B. Granit, Gneis), aber auch in massigen Sedimentgesteinen (z.B. Sandsteine). Sie entwickeln sich über lange Zeiträume hinweg, währenddessen die erosionsbedingte Abtragung der überlagernden Gesteine zu einer Entspannung senkrecht zur Erdoberfläche (σ3= vertikal) führt; die Extensionklüfte entstehen senkrecht zu σ3 und damit parallel zur Oberfläche. b) Die Abkühlung magmatischer
Gesteine bedingt einen hohen Temperaturunterschied zwischen dem Rand und dem Inneren des
Magmakörpers. Dies führt zu einem Volumenschwund, und die dabei verursachten Zugspannungen
führen zur Ausbildung von hexagonal angeordneten Abkühlungsklüften, die sich i.d.R. senkrecht zur
Abkühlungsfläche ausbreiten und zur Entstehung von säulenförmigen Gesteinskörpern
(Säulenbasalte) führen. c) Sehr rasch entstehende atektonische Kluftformen sind konische
Kluftflächen (shatter cones), die beim Einschlag von Meteoriten entstehen. d) In unverfestigten Sedimenten bewirkt die Verdunstung des enthaltenen Wassers einen Volumenschwund, und es
entstehen Schrumpfungsrisse, die vier- bis siebenseitige Polygone bilden.
Literatur: [1] Eisbacher, G.H. (1991): Einführung in die Tektonik. - Stuttgart. [2] Engelder, T. (1993): Stress regimes in the Lithosphere. - Princeton. [3] Twiss, R.J. & Moores, E.M. (1992): Structural
Geology. - New York.


KlüfteKlüfte 1: drei verschiedene Arten der Bruchausbreitung: a) Extensionsbruch: Ausbreitung senkrecht zur Bruchebene; b) Scherbruch Typ A: bruchparallele Relativbewegung senkrecht zur Bruchfront; c) Scherkluft Typ B: bruchparallele Relativbewegung parallel zur Bruchfront.

KlüfteKlüfte 2: Extensionskluft in Bezug zu den drei Hauptspannungen. Klüfte 3: Besenstrukturen auf Kluftoberflächen (Pfeil in Ausbreitungsrichtung des Bruchs).

Klüfte
KlüfteKlüfte 4: systematische Klüfte (A) und nicht systematische Klüfte (B).

KlüfteKlüfte 5: gebogene Klüfte in Schichten bei Hauptspannung σ1 senkrecht zur Schicht und bei schichtparallelem σ1.

KlüfteKlüfte 6a: Dehnungszone entlang sich hebenden oder absenkenden Bereichen. Klüfte 6b: Scharnierbereich eines absinkenden Kontinentrandes oder am Rand eines absinkenden Beckens.

Klüfte
KlüfteKlüfte 6c: allgemeiner Spannungszustand der Grabenbildung mit grabenparallelen Extensionsklüften.

KlüfteKlüfte 6d: Grabenbildung unter horizontaler maximaler Hauptspannung mit grabenparallelen Extensionsklüften (Rheingraben).

KlüfteKlüfte 7a: Falten-Koordinaten.

KlüfteKlüfte 7b: Querklüfte.

KlüfteKlüfte 7c: Längsklüfte.

KlüfteKlüfte 7d: Lagerklüfte.

KlüfteKlüfte 8: Kluft-Deformationsdiagramm.
 
 

 

 

 
 
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