Geologische Spannungen und Verformungen von Gesteinen

1.1. Arten von geologischer Spannung

Spannung ist eine Kraft, die auf eine bestimmte Fläche wirkt. Sie kann wie folgt klassifiziert werden:

• Lithostatischer Druck: Die Spannung wirkt aus allen Richtungen gleichmäßig.
• Differenzialspannung: Die Spannung ist nicht aus allen Richtungen gleich.
• Kompressionsspannung: Erzeugt durch gegenüberliegende, konvergierende Kräfte.
• Zugspannung (Tensional Stress): Erzeugt durch gegenüberliegende, divergierende Kräfte.
• Scher- oder Schubspannung: Erzeugt durch gegenüberliegende, parallel wirkende Kräfte.

Da die Spannung auf ein Gestein einwirkt, beginnt dieses sich zu verformen oder wird belastet. Eine Verformung (Strain) ist eine Änderung der Form und/oder des Volumens eines Gesteins. Es können drei aufeinanderfolgende Stadien der Verformung unterschieden werden:

• Elastische Verformung: Diese ist reversibel. Sie verschwindet, sobald die Spannung nachlässt.
• Duktile Verformung: Die Verformung ist irreversibel, aber das Gestein bricht nicht.
• Spröde Verformung: Die Verformung ist irreversibel und das Gestein bricht.

Eine beobachtbare tektonische Struktur muss folgende Kriterien erfüllen:

1. Sie muss permanent sein (nicht elastisch).
2. Sie muss die ursprüngliche Form verändern (ohne lithostatischen Druck).

Das Verhalten von Gesteinen wird durch die Zusammensetzung und ökologische Faktoren gesteuert:

• Zusammensetzung des Gesteins: Es gibt elastische, duktile und spröde Materialien.
• Umweltfaktoren:
  • Druckbelastung: Bei hoher Druckbelastung wird sprödes Verhalten verzögert.
  • Temperatur: Bei hohen Temperaturen wird duktiles Verhalten begünstigt.
  • Zeit: Bei langsamen Dehnungsraten wird duktiles Verhalten begünstigt.

1.2. Spröde Verformung: Brüche und Störungen

Wenn ein Material eine spröde Verformung erfährt, bricht es. Wenn eine relative Verschiebung entlang des Bruchs auftritt, spricht man von einer Störung (Verwerfung). Ohne Verschiebung handelt es sich um eine Kluft (Joint).

Wichtige Elemente einer Störung

• Sprunghöhe (Fault jump): Der Vektor der Verschiebung.
• Störungsfläche (Fault plane): Die Bruchfläche.
• Stufenhang: Eine lange Steilkante entlang der Störung.
• Harnische (Slickensides): Parallele Rillen auf der Störungsfläche, die entstehen, wenn sich ein Block relativ zum anderen bewegt.
• Blöcke: Die beiden Gesteinsteile auf beiden Seiten der Störungsfläche.

Bei einer Sprungverwerfung (Dip-Slip-Störung) unterscheidet man:

• Hangendes (Hanging wall): Der Block oberhalb der Störungsfläche.
• Liegendes (Footwall): Der Block unterhalb der Störungsfläche.

Die wichtigsten Arten von Störungen

• Dip-Slip-Störung: Verschiebung entlang der Fallrichtung der Störungsfläche.
  • Abschiebung (Normal fault): Das Hangende bewegt sich abwärts.
  • Aufschiebung (Reverse fault): Das Hangende bewegt sich aufwärts.
• Blattverschiebung (Strike-slip fault): Vertikale Störungsebene mit horizontaler Verschiebung.

1.3. Duktile Verformung: Faltung

Wenn ein Material, das komprimiert wird, eine duktile Verformung erfährt, bilden sich Kurven, die sogenannten Falten.

Elemente einer Falte

• Faltenscharnier (Hinge): Der Bereich der stärksten Krümmung in der Falte.
• Faltenschenkel (Limbs): Die Seiten der Falte.
• Faltenachse: Die Verbindungslinie aller Scharnierpunkte einer Schicht.
• Achsenebene: Die Ebene, welche die aufeinanderfolgenden Faltenachsen verbindet.
• Abtauchen (Plunge): Der Winkel, den die Faltenachse mit einer horizontalen Linie bildet.

Klassifizierung von Falten

• Nach der Krümmung: Antiklinale (Sattel), Synklinale (Mulde), Monoklinale (Flexur).
• Nach der Achsenebene: Aufrechte Falte, geneigte Falte, überkippte Falte, liegende Falte.
• Nach dem Öffnungswinkel: Offene Falte, geschlossene (enge) Falte, isoklinale Falte.