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Geologische Rundschau 75/2 ] 301-322 [ Stuttgart 1986

Die Entstehung von Plumose-Kluftfl~ichenmarkierungen und ihre tektonische Interpretation Von KORD ERNSTSON, Wfirzburg und MARTIN SCHINKER, Freiburg*) Mit 21 Abbildungen

Zusammenfassung Die in der tektonischen Literatur unter den verschiedensten Namen bekannten Kluftfl~chenmarkierungen vom Feder- oder Besentyp (Plumose-Strukturen) sind als diagnostisches Hilfsmittei bei der Ansprache von Kliiften als das Ergebnis yon Scher- bzw. Zugbeanspruchung umstritten. In der vorliegenden Arbeit wird versucht, auf Grund yon GelSndebeobachtungen und bruchmechanischen Untersuchungen eine Kl~irung dieser Frage herbeizufiihren. Das wesentliche Ergebnis der Gel~indeuntersuchungen in einem Aufschlu~ der Solnhofener Schichten (Maim zeta) und in einem Aufschlufl in Muschelkalk ist der Befund, daf~ die Plumose-Strukturen an eine extrem engst~ndige KIiiftung gebunden sind, die auf ein offenbar bereits sehr fr/fihsynsedimentSr bis fr/ihdiagenetisch- angelegtes Gef/ige zuriickzuffihren ist. Das negative Ergebnis yon Bruchmechanik-Experimenten an Kalkstein-Proben sowie die absolute ph~inomenologische Ubereinstimmung der PlumoseStrukturen mit den Spaltstufen auf Bruchfl~chen spalrbarer Kristalle fiihren zu der Modellvorstellung, datg fiir die Entstehung der Plumose-Strukturen allein eine Gesteinsanisotropie vorausgesetzt werden mug. Damit sind diese Kluftfl~chenmarkierungen ohne weitere Kriterien n i c h t d i a g n o s t i s c h, abet geeignet, entsprechende Gefiige nachzuweisen. Ais anisotropes Gefiige in den Kalken werden dukfiI angelegte Gleitfl~chen bzw. Gleitb~inder erkannt, die als Ebehen reduzierter Bindefestigkeit Wegbereiter fiir den sp~teren Spr6dbruch sind. Die Ergebnisse haben Bedeutung fiir die Theorien zur K1uftentstehung und Konsequenzen fiir klufttektonische Analysen. Unter diesen Gesichtspunkten werden Arbeiten anderer Autoren diskutiert, die sich mit den Kluftfl~ichenmarkierungen yore Plumose-Typ auseinandersetzen.

logy. In the opinion of many authors plumose structures are diagnostic of both, shear and tensile fracture, respectively, but papers mostly suffer from Iack 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 resuIts 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.

R&um~

Depuis iongtemps, les traces en forme de plume sur la surface des joints font l'objet de discussions quant ~ leur utilisation en rue de distinguer ies fractures d'extension de celles de cisaillement. Dans cette note, nous proposons un module d'aprSs lequel les structures ,plumeuses~, n'ont pas de vaIeur diagnostique dans ia distinction en cause. Ce module est bass d'une part sur des observations de terrain et des expSriences effectu~es sur les calcaires du Muschelkalk et de Solnhofen, d'autre part sur le mScanisme de fracturation de cristaux clivables. Nous concluons que, quel que soft le type de joint (extension ou cisaillement), les structures ~,plumeuses,, r& Abstract sultent d'un front de fracturation qui progresse dans un maFor a long time joint surface markings of the plumose t&iau anisotrope, le long de plans de faible r&istance peu type have drawn attention to researchers in structural geo- espac&. L'anisotropie des calcaires est attribu& fi des surfaces de glissement probabiement d'origine diag~n&dque Mt*) Adresse der Autoren: Priv.-Doz. Dr. K. ERNSTSON, tive. Leistenstral~e 62, D-8700 Wiirzburg (zuvor: Instimt f~ir Ces rSsultats sont importants, tam pour ia thSorie de la Geologie der Universit~it Wiirzburg), und Dr. M. formation des joints que pour les analyses structurales de SCHINKER, Fraunhofer-Institut f/Jr Werkstofflnechanik, terrain. Des &udes ant&ieures de divers auteurs sont discuWthierstrat~e 11, D-7800 Freiburg. ties fi ce point de vue.

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K. ERNSTSON& M. SCHINKER KpaTKOe co~ep~KaHHe

diesen Bruchfi~ichenmarkierungen (BFM) wesentliche Aussagen iiber den Bruchvorgang abzuleiten CTpyKTypHble ejIHHHIIbI IlepHCTOrO~ HJIH MeTeJiOqHOrO sind, wie: Lage des Bruchursprungs, Bruchrichtung, T~lna - cTpyKTypa p l u m o s e - ycTaHaBm4BaeMhie Ha nOBruchverz6gerung bzw. Brucharrest, in Sonderf~ilBepXHOCTH TpelJXHH KYlI,IBa)Ka, 14 I43BeCTHble B TeKTOlen die lokale Bruchgeschwindigkeit, damit die HHqeCKOI~I JIHTepaType n o / l pa3JIHqHBIMH Ha3BaHHIJMH, Energiebilanz des Bruches, und unter UmstSnden FIpHMeH~ITb, KaK BcrlOMaFaTeJIbHOe cpe/ICTBO /IJIIt OIiHauch die geanspruchungsart und die BeanspruCaHH~ITpeLILPIHB pe3y.rlbTaTe CKOJ'IOB,182114pacTgDKett~II~I, chungsges chwindigkeit. He peI(OMeHAyeTc~t. B HaCTO~tUIeft p a 6 o T e ~ieYiae'rc~l Anders in der Geologie: Abgesehen von der frtirlonbITKa~ BHeCTH 9ICHOCTb B ~2aHHyIO r t p o 6 g e M y Ha OCHOhen Arbeit yon WOODWORTH(t897) und der Ver6fBaHH!4 Ha~JltO/IeHI4t~ B n o n e H MOjIeJlbHblX OrlblTaX Ha fentlichung yon HoDcsoN (1961) ist den Markierunpa3JIOM. Ha OCHOBaHHHIIO.rleBblXHa6.rIIO/IeHHI;IHa O6HaxKeHHtSI- MaJ'IbM 3eTa -, a TaK;:'Ke paKyIIIeqHOFO H3BeCTH~IKa yCTaHOBH.rIH, qTO 3TH Markierungen auf Kluftfl~ichen und technischen cTpyKTypHbIe eJIHHHI~bI CBIt3aHbI C TeCHBIM pacno~Io>KeBruchfl~ichen eine enge genetische UbereinstimHHeM TpeHI!4HOBaTOCTeIFI, KOTOpbIe ogpa3ytOTC~I o q e H b mung nahelegt. In aller Deutlichkeit haben wohl bispatto - BepO~THO CHHCejIHMeHTHO~ HYIHHa p a n t t e f l CTaher nur BaNKWlTZ(1965, 1966, 1978 a, 1978 b)sowie JIHH JIHareHe3a. OTpHIlaTeJIbHhle pe3y;IbTaTbI rip!4 3KCBANKWlTZ& BANKWlTZ(1971) auf diese ZusammenrlepHMeHTaX 170 pa3riOMaM H3BeCTH~IKOBI4 nOJIHOe COBh~inge hingewiesen und den Aussagewert von Kluftnas te 3THX CTpyKTyp CO cTyneHqaTblM!4 pa3.rlOMaMH oberfl~ichen fiir geologische Fragestellungen betont. n o rlOBepxHOCTH CKOJIa KpHCTaJIJIOB pa3petliaIOT COCTaEine gewisse Ausnahme machen die BFM vom BHTS p a 6 0 q y r o MO,ZIe2lb,C rlOMOLLIMOKOTOpOf106pa30BaFederbzw. Besentyp (englisch: plumose structures ui,Ie Ha3BaHHblX CTpyKTyp MO)KHO O6~bItCHHTb TOrlbKO - nach der Klassifizierung yon HODCSON(1961); einaHu3oxpon!,IeH n o p o R . TaKaM o 6 p a 3 o M , cTpyKTypbl plumose Ha noBepxHOCT~rpeumH 6e3 ~IpyrHx ~IaHHblXHe gedeutscht (BocK 1980 a): Plumose-Strukturen), die - vielleicht weil sie nicht sehr hS.ufig auftreten, aber MOFyT c2Iy~PITb ~II&FHOCTH~IeGKHM npH3HaKOM~ HO HX C.Pie,g,yeT paCCMflTpHBaTb, KaK jJ,OKa3aTeYIbCTBO HpH~isthetisch ansprechen - immer wieder Eingang in die CyTCTBH9I H3BeCTHblX cTpyKTyp. tektonische Literatur gefunden haben, in alIer Regel AHH3OTpOnH~I B H3BeCTHgIKaX BO3HHKaeT B pe3y.rIhTaunter dem diagnostischen Aspekt: Sind PlumoseTe FIJIaCTHqHOCTH MaTepHaJIa, r A e nYiocKocI-14 nOHHX(eHStrukturen Ausdruck eines bestimmten BeanspruHOI;1 cIIa~IHOCTI4 c J t y x a T HJIOCKOCTNMHCKOJIa H~ B ,~ayll,chungsmodus? Die Frage ist umstritten, wobei die He~tueM, rlyTItMH /1Jlfl ogpa3oBaHH~ pa3pblBHblX cTpyKEntstehung des Bruches bzw. der Kluft unter Scherxyp. beanspruchung oder unter Zugbeanspruchung dis~)TH 2(aHHb~e I4MetOT 3HaqeHHe ~IJI~ TeopHH 0 6 p a 3 0 B a kutiert wird. Eine Reihe yon Autoren (z. B. PA~KER HH~ I(:IHBax
Die Entstehung von Plumose-Kluftfl~ichenmarkierungen I. Die BFM spielen in der Hypothese MUEHLBEt
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Konstruktion von Spannungsfetdern, die die wichtigsten zu beobachtenden BFM, insbesondere auch die Plumose-Strukturen, erkl~ren sollen. Wesentliche Voraussetzung fiir den beschriebenen Mechanismus ist nach GASH, daf~ es sich um einen Spr6dbruch handek und dafg der Bruch durch Scherbeanspruchung ausgel6st wird, da nut hierbei elastische Wellen in Richtung des fortschreitenden Bruches abgestrahlt werden. Plumose-Strukturen sollen danach diagnostisch fiir einen Verschiebungs-Spr6dbruch s ein. Dieser Kenntnisstand lag vor, als einer der Verfasset (K.E.) yon E. RUTT~(Wiirzburg) auf einen Aufschlutg auf der Siidlichen Frankenalb aufmerksam gemacht wurde. Dort waren auf intensiv gekltifteten Malm-zeta-Kalken (Solnhofener Schichten) in uniibersehbarer Menge BFM vom Plumose-Typ zu beobachten, die sonst im allgemeinen keine sehr h~ufige Erscheinung darstellen. Etwas sp~iter konnten entsprechende Beobachtungen in einem Aufschlutg im Unteren Muschelkalk (Wellenkalk) der Fr~inkischen Trias gemacht werden. Damit war die M6glichkeit gegeben, die Stellung der Plumose-Strukturen im geologisch-tektonischen Rahmen detailliert und systematisch zu untersuchen und den offenen, fiir tektonische Arbeiten bedeutsamen Fragestellungen nachzugehen. Ein gr6i~eres Gewicht- entsprechend den Vorstellungen von BANKWITZ-- erhielten die Untersuchungen dutch die Bereitschaft von Mitarbeitern des Fraunhofer-Instituts fiir Werkstoffmechanik in Freiburg, an diesem Problem interdisziplin~ir (Geologie - technische Bruchmechanik) mitzuarbeiten. Diese interdisziplin~re Zusammenarbeit hat sich aufgerordentlich gut bew~ihrt, sie ist befruchtend fiir beide Seiten gewesen und hat letztlich die entscheidenden Impulse fiir das Vorhaben gegeben. 2. Plumose-Strukturen Allgemeines Mit Plumose-Strukturen wird eine Morphologie der Bruch- bzw. Kluftfl~iche beschrieben, die charakteristische, unverkennbare Ziige tr~igt (Abb. 1). Es handelt sich um diskontinuierliche, h~iufig von einem eng begrenzten Bereich aus divergierende Riefungen, die streng yon Harnischen oder ~ihnlichen Erscheinungen zu unterscheiden sind. Sie treten in den verschiedensten Materialien auf, in Metallen, in Plexiglas, in Gelatine, in Kristallen u. a.. Bei den Gesteinen sind sie vorzugsweise in Sedimenten und Metamorphiten zu beobachten, abet auch von Vulkaniten (BANKWITZ1978 a) beschrieben worden. Die Dimensionen dieser an Federn oder Besen erinnernden Strukturen iiberstreichen einen Bereich yon acht

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Abb. 1. Kluftfl~ichenmit Plumose-Strukturen in Solnhofener Schichten (oben links und unten) und Bundenbacher Schiefer.

Zehnerpotenzen, yon Mikrometer-Ausdehnung (z. B. K~s et al. (1950)) bis zur Gr6t~enordnung von 100 m (z. B. Canyon de Chelly, NE-Arizona). Es wird allgemein angenommen, dat3 die Struktuten die Richtung der Bruchausbreitung dokumentieren (divergierend vom Bruchursprung), was indirekt auch die Spaltstufentheorie far Kristalle nahelegt (ScHINKER 1975; siehe auch Kap. 4). Die PlumoseStrukturen sind ein zuverlSssiges Hilfsmittel zur Bestimmung der Altersabfolge yon Kliiften: Kluftfl~ichen mit Plumosen werden durch j ii n g e r e Kliifte zerteilt; der durch Plumosen-Ursprung bezeichnete Bruchbeginn an einer Kluft weist dieser eine P r 5 -

e x i s t e n z zu. Weitere Besonderheiten werden bei Gash (1971) und in den folgenden Abschnitten beschrieben. Plumose-Strukturen im Malml~indebefunde

Ge-

Der in der Einleitung erw~ihnte Aufschlul3 auf der Siidlichen Frankenalb (R: 4481500; H: 5426900) in Kalksteinen des Malta zeta zeichnet sich dutch zwei geologische Besonderheiten aus, die - wie nachfolgend gezeigt wird - urs~ichlich zusammenh~ingen. Der Steinbruch ist in Platten- und Bankkalken ange-

Die Entstehung yon Plumose-Kluftfl~chenmarkierungen

([uft

Abb. 2. Kluftverlauf und Bruchfl~ichenmarkierungen bei Ann~herung an ~ltere Kluft. legt; die Aufschlul~h6he betr~igt im Mittel grob 2 m. Im Bereich des Aufschlusses ist auf einem zusammenh~ingenden Gel~inde von ca. 50 000 m 2 eine verti-

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kale, parallele und ungew6hnlich engst~ndige Kliiftung zu beobachten. Die Streichrichtung der engst~ndigen Klfiftung betr~gt in allen Schichten der ca. 2 m m~ichtigen Abfolge einheitlich 110~ _+ 5~ Der Kluftabstand variiert zwischen etwa 1 mm und 20 mm, gelegentlich auch mehr. In den B~inken (60 his 200 mm M~chtigkeit) ist der Abstand vollkommen ge6ffneter Klfifte im allgemeinen geringer als in den Platten (2-10 mm). Zwischen den vollkommen ge6ffneten Klfiften lassen sich vergleichsweise viel zahlreichere parallele Fl~chen ~,reduzierter Festigkeit~ nachweisen, in denen sich Risse nur teilweise durchgehend ausgebreitet haben oder die durch ~tzspuren und Verf~irbungen (natfirlich oder kiinstlich) zu erkennen sind. Das zweite Ph~inomen ist das Auftreten von Bruchfl~chenmarkierungen des Plumose-Typs in z. T. ungew6hnlich prachtvoller Ausbildung. Es ist mit dem ersten uniibersehbar verkniipft: Die KluftfLichen der 110~ zeigen o h n e A u s n a h m e diese Markierungen; sie treten auf den anders orientierten, ~ilteren oder jfingeren Kluftfl~ichen nicht auf (Die Angaben zur Altersfolge sind - wie oben beschrieben- fiber den dutch die BFM dokumentierten Bruchablauf m6glich.). Bemerkenswert sind auch die folgenden Beobachtungen. Die 110~ lassen sich sehr h~iufig fiber ~iltere Klfifte nahezu vet-

Abb. 3. Kluftfl~che mit Plumose-Strukturen im Maim zeta: BFM verschwinden bei Bruchablenkung yon der 1I0~ tung. Unten: Blick auf Schichtfl~iche desselben Stfickes zeigt, wie geringfiigig die Bruchabienkung ist. Mat~stab: 2,5 cm.

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neu sind und es ungewifl ist, wie lange der Aufschlufl zug~inglich sein wird. Auf der anderen Seite konnten Beobachtungen gemacht werden, die mit existierenden Vorstellungen tiber die BFM und ihre Genese nicht vertr~iglich sind und einen Bestandteil der zu entwickelnden Modellvorstellung bilden werden. B e f u n d e: Plumose-Strukturen vom F eder-Typ (chevrons: Gash (1971)) linden sich in B~inken und Platten sehr unterschiedlicher St~irke. Die dfinnsten Platten mit klarer Ausbildung yon Federmarkierungen sind 2 mm stark, die B~inke erreichen 60 ram. Dieser Sachverhalt (Federmarkierungen yon 2 mm his 60 mm Breite ) steht nicht in Einklang mit dem yon GaSH (1971, 354) aus Beobachtungen abgeleiteten Postulat, dag innerhalb einer geologischen Einheit die M~ichtigkeiten der Schichten mit Feder-besetzten Kluftsch~ichten nur eine Schwankungsbreite von etwa 16% aufweisen. In m~ichtigeren B~inken treten im wesentlichen Besenmarkierungen (plumes: GASH(1971)) auf, meist in v6Ilig unregelm~ifliger Form; nicht selten abet auch Federmarkierungen (Bruch horizontal laufend), die in Besenmarkierungen tibergehen (Abb. 5 a). Der Bruch u r s p r u n gist selten punktf6rmig (Abb. 5 b); er zeigt in der Regel eine breite Front an ~ilteren Kttiften oder Bankober- bzw. -unterseite (Abb. 5 c). Der Bruch b e g i n n verEiuft tiberwiegend horizontal. In geringm~ichtigeren B?inken und in Platten sind fast ausschlieglich Federmarkierungen zu beobachten (vergl. auch BAHaT & ENGELDEt (1984)). Dabei ben. Die weitere Beschreibung yon Beobachtungen zu erfolgt der Bruchbeginn nur sehr selten an der Oberden BFM dient einerseits einer reinen Dokumenta- oder Unterkante und fast stets punktf6rmig. Eine tion, da vide Erscheinungen und Zusammenhiinge Besonderheit sind Innenbrfiche mit entgegengesetzt laufenden Federmarkierungen (Abb. 5 d) und ebensolche mit dem Bruchursprung an der Bankoberseite (Abb. 5 e). Stark gekriimmte Klufffl?ichen mit BFM (Abb. 5 f) sind h~iufig, wellenf6rmige Kluftfl~ichen gelegentlich zu konstatieren (Abb. 5 g). Auf allen Kluftfl~ichen tritt bei extrem engst~indiger Kltifmng bzw. Mikroriflbildung hiiufig ein ,,chaotischer<, Bruchablauf in Erscheinung (Abb. 5 h). Andererseits k6nnen zwei Brfiche im Abstand yon nur 2-3 mm fiber 40 cm parallel taufen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Nicht selten und in der Form noch nicht beschrieben sind spiralige Brtiche; bei gut ausgebildeten Formen treten die BFM in der Art logarithmischer Spiralen auf (Abb. 6). Dabei fiillt auf, daig der Bruch beim Laufen fast ausnahmslos fiber 360 ~ hinaus in eine h 6 h e r e Ebene dreht, wenn der Bruch i m U h r z e i g e r s i n n fortschreitet. Dag Abb. 4. EngstS.ndige Klfiftung und BFM im Malta zeta. dieses Bruchverhalten eine gewisse Analogie zu den Schematische Darstellung; gilt fiir alle beobachteten Di- Lanzettbrtichen (KEt~KHOF& SOMMER1964) mit elhem sich zeitlich ~indernden Beanspruchungsplan mensionen,

satzfrei verfolgen. Der Versatz ist dann in der Gr6flenordnung der Offnung der 110%Kltifte. Bei Ann~iherung an eine iiltere, auch schr~ig dazu verlaufende Kluft wird der geradlinige Verlauf der 110% Kltifte m it Plumose-Markierungen nicht beeinfluflt. Wird jedoch eine Wechselwirkung mit ~ilteren Kliiften beobachtet (Abb. 2), so lassen sich auf den abgelenkten Kluftfl~ichenbereichen keine Federmarkierungen nachweisen. (Die heraus~itzbaren S p u r e n solcher ll0~ k/Snnen sich aber tiber die iilteren Kltifte mit einer Genauigkeit yon _+ 0,1 mm fortsetzen.) 17berhaupt verschwinden die Plumose-Markierungen, sobald der Bruchverlauf nur geringftigig aus dem 110~ ausbricht; daftir tritt dann eine rauhe, strukturlose Bruchfl~iche auf (Abb. 3). Die Beobachtungen zeigen die strenge Verkopplung yon engstiindiger Klfiftung, Richtungsbesfiindigkeit und Kluftfliichen mit Plumose-Strukturen, so dag die PMnomene offensichtlich zusammenh~ingem Die Einheitlichkeit der l l0~ bzw. des dazu paralMen Systems yon Fl~ichen reduzierter Bindefestigkeit einerseits und der mehr oder weniger regeltose Verlauf ~ilterer Kltifte andererseits sind zwingende Hinweise darauf, daft zumindest das 110~ yon Fl~ichen reduzierter Bindefestigkeit fiber die ca. 2 m m~ichtige Schichtfolge auf dem groflen Areal z e i t 1 i c h v o r den regellosen ~ilteren Klfiften angelegt worden ist. Eine schematische Darstetlung der Verh~iltnisse ist in Abb. 4 wiedergege-

Die Entstehung yon Plumose-Kluftfl~ichenmarkiemngen

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Sf Abb. 5. CharakteristischePlumose-Strukturen auf Klufffl~chenim Malta zeta. Erl~uterungenim Text. (Drehung der Hauptnormalspannungsrichtungen) darstellt, kann vermutet aber nicht nachgewiesen werden. Erg~nzend ist mitzuteilen, daf~weiterhin systematische Untersuchungen einschliet~lich der Vermes-

sung verschiedener Parameter an einigen hundert Einzelmarkierungen durchgefiihrt wurden, ohne dal~ fiir einen Beanspruchungsplan ausdeutbare Gr6f~en gewonnen werden konnten. Das weitere tektonische Inventar im Steinbruch zeigt bei den gegenw~irtigen Aufschluf~verh~iltnissen auger der iiberm~it~igenBeanspruchung in Form der ll0~ die im Bereich der siidlichen Frankenalb nicht ungw6hnlichen Kleinabschiebungen und unregelm~itgigeSchichtverstellungen, die mit einet Verkarstung zusammenh~ngen m6gen. Einige Horizontalstylolithen (im Prinzip wichtige Druckspannungsindikatoren) konnten beobachtet werden, jedoch hie orientiert im Anstehenden. Bemerkenswert ist schliefflich, daf~ vergleichbare Phiinomene, extrem engst~ndige Kliiftung und geh~iuft auftretende Plumose-BFM, weder gemeinsam noch als Einzelerscheinungen in den zahlreichen Aufschliissen der n~iheren und weiteren Umgebung zu beobachten sind.

Plumose-Strukturen im M u s c h e l Abb. 6. Plumose-Strukturennach Art logarithmischerSpikalk- Gel~indebefunde ralen (Relief des Originals mit Bleistift durchgepaust). Bruchverlaufyon innen nach aut~en;ungefiihreBruchrich- Extrem engst~indige Kliiftung, gekoppelt mit BFM tung dutch Striche markiert. vom Plumose-Typ, tritt auch im Muschelkalk auf. In

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Abb. 7. Engst~indigeKRiftungmit Plumose-Strukturenim Unteren Muschelkalk(Wellenkalk).Maf~stabmit mm-Teilmxg.

einem Wellenkalk-Steinbruch bei Wfirzburg (R: 3555500; H: 5517300) werden vergleichbare Ph~inomene beobachtet: Einheitliche Streichrichtung einer engst~indigen KILiftung auf grof~er Fl~iche und fiber mehrere Meter vertikaler Erstreckung. Die Klfiftung ist jedoch bei weitem nicht so durchhaltend wie in den Malm-Kalken. Wiederum sind die PlumoseStrukturen nur mit der Streichrichtung der engst~ndigen Kl~ftung verknfipft. Sie sind sehr fein ausgebildet und fallen h~iufig nur bei geeigneter Beleuchtung auf (Abb. 7). Von Bedeutung ist der Umstand, daf~ die engst~indige Klfiftung fast stets senkrecht zu den Schichtfl~ichen verl~uft, auch dann, wenn diese lokal, vermutlich als Ausdruck subaquatischer Rutschungen, deutlich gebogen sind. Im Steinbruch sind mehrere Verwerfungen (meist Abschiebungen) mit Sprungh6hen im Meter-Bereich aufgeschlossen. Die m6gliche Verbindung zu St6rungen zeigt auch die Beobachtung extrem engst~indiger Klfiftung mit Plumose-Markierungen in einem Wellenkalk-Aufschluf~ bei Karlburg (N Wfirzburg, R: 3552750; H: 5537900), der von einer Verwerfung durchsetzt wird (ScHwA~ZM~IER1978). Sehr engst~indige Klfiftung mit daran gekoppelten Plumose-Strukturen wird auch in Kalksteinen des Oberen Muschelkalk beobachtet. Bisher liegen jedoch nur Lesesteine (bezeichnenderweise ?) aus der Bad Kissingen-Hat~furter St6rungszone (G. BUTTNER,pets. Mitteilung) und von der Kulmbacher St6rung vor. Zusammenfassung Die bisher vorliegenden Gel~indebefunde haben als wesentliches Ergebnis gezeigt, daf~die sonst nicht

sehr h~iufig zu beobachtenden BFM vom PlumoseTyp dann geh~iuft auf Kluftfl~ichen auftreten, wenn diese - bei ausgepr~igter Richtungskonstanz - eine extreme Engst~indigkeit zeigen. BFM und engst~indige Kliiftung sind in den beschriebenen Kalksteinen untrennbar miteinander verbunden, so dat~ beides, die Entstehung der Klfiftung und die Genese der Plumose-Strukturen, im selben Zusammenhang gesehen werden mull Weniger gesichert ist eine Beziehung zu tektonischen St6rungszonen.

3. Bruchmechanische Untersuchungen Experimente zur Erzeugung yon Plumose-Strukturen in M a l m - P r o ben In umfangreichen Laboruntersuchungen wurde versucht, die diagnostisch wichtigen BFM im Experiment bei kontrollierbaren Bedingungen zu erzeugen. Solche gezielten Untersuchungen in Gesteinen waren bis dahin nicht bekannt. Da die nahezu vollst~ndig zerst6rten Gesteine aus dem beschriebenen Malm-Aufschlu~ nicht in Frage kamen, wurden Proben aus stratigraphisch und faziell gleichen Schichten eines benachbarten Aufschlusses genommen. Die Experimente wurden an rund 100 Bruchmechanik-Proben durchgeffihrt, die aus makroskopisch unversehrten Malm-Kalken durch S~gen und Anschleifen hergestellt wurden. Die Ri!~orientierung wurde bezfiglich der Schichtung unterschiedlich gew~hlt, und die Rit~erzeugung erfolgte sowohl bei trockener Laborluft als auch in w~l~rigerUmgebung. Im einzelnen handelte es sich um die folgenden

Die Entstehung von Plumose-Kluftfl~ichenmarkiemngen

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ModellbetrachBruchexperimente im Bruchgeschwindigkeitsbe- B r u c h m e c h a n i s c h e reich von ca. 10-7m/s bis zu mehreren 100 m/s: tungen zur Entstehung engst~ndiger Klfiftung - keilbelastete Probe ohne Ffihrungsnut mit instabilem Bruchverlauf Einen weiteren Baustein fiir das zu errichtende - k e i l b e l a s t e t e Probe mit stabiler Bruchrichtung Modell liefern Erkennmisse der Bruchmechanik zur dutch ges~igte Ffihrungsnut Entstehung engst~indiger Klfiftung, die offenbar fiir -linienf6rmige Belastung durch Zugkr~ifte an das Auftreten von Plumose-Strukturen yon BedeuDCB-Probe (double cantilever beam) mit Fiih- tung ist. Ausfiihrlich wird die Argumentation im rungsnut und richtungsstabiler Bruchausbreitung Anhang 2 gefiihrt. Das wesentliche Ergebnis ist, daf~ - Vierpunkt-Biegeversuche in einem homogenen, isotropen Block, der durch - Doppeltorsions-Versuche zwei parallele Klfifte begrenzt ist, sich ein weiterer - Rif~erzeugung in DCB-Proben unter Schubbeanparalleler Rii~ unter der Wirkung ~iui~erer Kr~fte spruchung richtungsstabil nicht erweitern kann. Damit ist auch - Beanspruchung durch druckbelastete Kegelspiteine weitergehende, feinere Parallelklfiftung in eizen unter quasistatischer Last nem homogenen, isotropen Material nicht m6glich. -punkff6rmige Belastung dutch InnendruckimDie Konsequenz ist, dat~ fiir die Kalksteine des pulse (Sprengpillen, Initialzfinder) Malta und Muschelkalk eine ursprfingliche AnisoEs mul~ hinzugefiigt werden, dat~ auf Experimente tropie angenommen werden mut~. Ihre Ursache ist mit ein- oder mehrachsiger Druckbeanspruchung zun~ichst unbekannt, sie kann aber die folgenden Geverzichtet wurde zugunsten solcher Versuche, bei i~ndebefunde zwanglos erkl~ren: denen der bruchmechanische Beanspruchungsmo- die Engst~indigkeit der Klfifte dus (Zug (I), Schub (II), Torsion (III)) in weitgehend - die strenge Parallelit~it der Klfifte reiner Form vorliegt. - den ungest6rten Verlauf der engst~indigen, plumoDas Ergebnis der Untersuchungen ist bemersebesetzten Kltifte bei Ann~iherung an ~iltere, kenswert und l~i~t sich kurz zusammenfassen: schr~g orientierte Kliifte. K e i n e s der etwa 100 Bruchexperimente hat zu den - die Fortsetzung der engst~indigen Kliifte fiber ~lim Gel~inde beobachteten Plumose-Strukturen getere Kliifte hinaus. fiihrt; die erzeugten Bruchfl~ichen sind feink6rnig strukturlos. Offenbar sind zus~itzliche Bedingungen notwendig, die entweder dutch die Versuchsbedingungen nicht gegeben waren oder aber in bestimm- 4. B r u c h a u s b r e i t u n g u n d B r u c h f l ~ i c h e n m a r k i e ten, hier fehlenden Eigenschaften der Proben zu sur u n g e n in a n d e r e n M e d i e n chen sind. Spaltstufenbrfiche in K r i s t a l l e n Energiebetrachtungen Der Aspekt der Anisotropie legt es nahe, die In weiteren Experimenten wurde der fiir die Steue- Bruchausbreitung und BFM in charakteristisch anirung der Rif~ausbreitung und fiir Energiebetrachtun- sotropen Medien zu er6rtern. Dazu eignen sich begen charakteristische Zusammenhang zwischen dem sonders spaltbare Kristalle, da ffir sie Theorien zur durch die ~iuf~ere Zugspannung induzierten Span- Bruchbildung ausgearbeitet sind (z. B. SCHINKER nungsintensit~itsfaktor und der resultierenden Rii~- (1975)). Bruchausbreitung und BFM in solchen Kriausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt. Die Expe- stallen werden die Anisotropie als verbindendes rimente erlauben die Gewinnung von Energiedaten Glied zwischen engst~indiger Kliiftung und Plumozur Kluftbildung. Aus Absch~itzungen zu den geo- se-Markierungen aufzeigen. metrischen Verh~iltnissen im beschriebenen MalmIn spaltbaren Kristallen mit strukturbedingten Aufschluf~ ergibt sich, da~ zur Erzeugung der ge- Ebenen reduzierter Bindefestigkeit breiten sich Risse samten engst~indigen Kliiftung im Steinbruch-Vo- richtungsstabil bevorzugt entlang dieser Spaltebenen lumen der relativ hohe Energiebetrag von 108-109 aus, und zwar mehr oder weniger unabh~ngig von Joule (= 10is-10 i6erg) erforderlich ist (Einzelheiten den bruchmechanischen Beanspruchungsmoden (I, dazu im Anhang 1). Eine solche Energie wird bei- II oder III). Bei spaltbaren Kristallen h6herer Symspielsweise bei einem Erdbeben der Magnitude 2,5-3 metrie, wie Calcit, Fluorit und den Alkali-Halogein Form elastischer Wellen abgestrahlt. Die L~berle- niden, sind entsprechend der Kristallsymmetrie drei gungen gelten fiir die Voraussetzung, dal~ die expe- unter bestimmten Winkeln orientierte Spaltebenenrimentell an den Proben des Nachbaraufschlusses systeme m6glich. Sie werden sich als Spaltbruch 6ffgewonnenen Parameter fibertragbar sind. nen, da in diesen Ebenen die Spannungsintensit~t KI

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K. ERNSTSON& M. SCHINKER

Abb. 8. Spaltstufenin einem Kaliumchlorid-Einkristall.Bruchverlaufvon unten nach oben. Bildl~inge~ 1 ram.

des reinen Offnungsmodus die wirksamste Komponente ist. Geht man yon einem idealen spaltbaren Kristall aus, so wird sich ein Rig stets ungest6rt entlang der initiierten Spaltebene ausbreiten. In realen Kristallen jedoch, die in sehr unterschiedlichem Maf~emit Kristalldefekten behaftet sein k6nnen, treten infolge der Wechselwirkung von Spaltrigfronten mit Versetzungslinien oder Kleinwinkelkorngrenzen Spaltstufen und Spaltstufenbiischel auf (Abb. 8). Dabei sind Spaltstufen zun~ichst die linienf6rmigen Verbindungen atomarer H6he zwischen benachbarten, parallelen Spaltebenen gleicher Indizierung. Spaltstufen geben grob die Richtung der Bruchausbreitung an. Anfangs paralMe Spaltstufen haben die Tendenz, sich einander zu n~hern. Dabei werden Spaltstufen geringer H6he yon h6heren Stufen angezogen und gehen in diesen auf. Die h6here Stufe vergr6tgert sich um die H6he der kleineren. Dieser Mechanismus erzeugt Spaltstufenbiischel, deren Spaltstufenanzahl mit dem Rit~fortschritt abnimmt. Damit ist eine eindeutige Festlegung der Bruchrichtung m6glich (Abb. 8). Diese wesentlichen Eigenschaften des Spaltbruchs mit den Spaltsmfen als BFM sind charakteristisch fhr homogen anisotrope Materialien (vergl. auch LUT'rON(1971)). Spaltstufen

in i s o t r o p e n

Medien

Den Spaltstufen in Kristallen ~iquivalente Bruchfliichenstrukturen kennt man von isotropen, homogenen Materialien, etwa den Thermoplasten. Letztlich entstehen bei der Bruchausbreitung die Spaltstufen jedoch ebenfalls in anisotropem Material, n~imlichin

der keilf6rmigen plastischen Zone vor der Rit~spitze. Hier werden die Makromolekiile unter der Wirkung der normal zur Ritgebene angreifenden Zugspannungen zu paralMen Bfindeln verstreckt. In diesen anisotropen Keil l~iuft der fortschreitende Rig hinein. D. h. der sich in einem isotropen Thermoplast ausbreitende Ril~ erzeugt stetig vor seiner Rit~spitze eine kleine Zone anisotropen Materials und durchtrennt diese Zone entlang der oberen oder/und unteren Grenzfl~iche der Zonenberandung. Das Beispiel einer Bruchfl~iche in einem Thermoplast (PMMA, PIexiglas) zeigt Abb. 9 mit BFM im Mikrobereich, die einer Klassifizierung als Plumose-Strukturen ohne weiteres gerecht werden. 5. ,~Spaltstufen, im Malmkalk Die Anisotropie in den Kristallen und die Spaltstufen fiihren wieder zu den Plumose-Strukturen in den Gesteinen zurfick; denn es kann gezeigt werden (Abb. 10-16), dag es zu nahezu jeder Geometrie der Gesteins-Plumosen ein absolutes Analogon bei Spaltstufenbr/ichen in KCL-Einkristallen gibt. So lassen sich Federmarkierungen (Abb. 10) ebenso wie Besenmarkierungen (Abb. 11) beobachten. Abb. 12 zeigt das zuvor beschriebene Zusammenlaufen und Umbiegen yon Spaltstufen in KC1 und verbli.iffend ~quivalentes Verhalten im Malmkalk. Eine Brucharrestlinie in KCI mit Umbiegen der Spaltstufenrichtung bei erneutem Bruchstart finder vergleichbare Plumose-Markierungen im Malm (Abb. 13). In Abb. 14 laufen jeweils zwei Teilbruchfronten gegeneinan-

Die Entstehung von Plumose-Kluftfl~chenmarkiemngen

311

Abb. 9. Plumose-Strukturenin PMMA (Plexigias). REM-Aufnahme. Bildl~nge ~ 95 #m. der, die zuvor unabh~ingig voneinander entlang einer Arrestlinie starteten. BFM im Bereich eines quer zur Bruchrichtung verlaufenden Risses zeigen in KC1 und im Malmkalk nahezu identische Geometrie (Abb. 15). Dasselbe gilt fiir ein gebohrtes Loch in KCI bzw. einen kleinen Hohlraum im Malmkalk (Abb. 16). Hinzuzufiigen ist, dai~ die abgebildeten Bruchfl~ichen mit der typischen BFM-Geometrie keine Einzelf~ille darstellen, sondern daf~ die entsprechenden Strukturen sowohl in KC1 als auch im Gestein systematisch auftreten. Das gilt auch fiir den Muschelkalk, dessen sehr feine BFM sich fiir eine photographische Wiedergabe weniger eignen. FUr das vorliegende Problem der engst~indigen Kliiftung mit BFM lassen sich die Mechanismen der Spaltstufenbildung auf die Entstehung der Plumose-Strukturen/.ibertragen, wenn man annimmt, daf~ die geforderte Anisotropie durch Ebenen reduzierter Bindefestigkeit dargestellt wird. Dann wird sich ein Bruch im Gestein ebenfalls bevorzugt entlang dieser energetisch ausgezeichneten Ebenen (Ebenen minimaler Bruchenergie) ausbreiten. Das wiirde die Richtungsstabilit~it erkl~iren. Ist der Abstand dieser parallelen potentiellen Rif~ebenen dar[iberhinaus hinreichend gering, so sollte sich ein Bruch entlang Abb. 10. Federmarkierungenin KCI (oben)und Malmkalk (Balken ~ 3 cm). Bruchverlaufvon links nach rechts.

312

K. ERNSTSON& M. SCHINKER Abb. 11. Besenmarkierungen in KC1 (oben) und Malmkalk. Bruchverlauf von links nach rechts. verschiedener, eng benachbarter Ebenen ausbreiten k6nnen, wobei die Plumose-Strukturen als Verbindungselemente dieser Fl~/chen gebildet werden. Es bleibt der Nachweis einer entsprechenden Anisotropie.

6. Untersuchungen zur Anisotropie Da die f3bereinstimmung der BFM in anisotropen Medien und in den Kalksteinen fi~r letztere ebenfalls bruchanisotropes Verhalten nahelegte, wurden Un. tersuchungen zum Nachweis eines entsprechenden Gefiiges durchgefiihrt. Maim

Zeta

Es wurden Anschliff- und Diinnschliff-Untersuchungen an Proben mit engst~indiger Mikrorit~bildung und an ,,unbeanspruchtem~ Proben des NachAbb. 12. Zusammenlaufen und Umbiegen von Spaltstufen in KC1 (links); vergleichbares Verhalten von BFM im Malmkalk (rechts, Maf~stab mit mrn-Teilung). Bruchverlauf von unten nach oben. 9

Die Entstehung von Plumose-Klufffl~chenmarkiemngen

313

zwei dazu orthogonalen Ebenen pr~ipariert. Obwohl Abweichungen in den Parametern festzustellen sind, hat eine sehr sorgf~ltige Analyse keinen Hinweis auf systematische, beziiglich einer Anisotropie ~nterpretierbare Unterschiede erbracht. Das betrifft sowohl die Reflexe ,,l~ngs, und ,,quer,~ in den engst~indig geklfifteten Kalken als auch den Vergleich geklfiftete K a l k e - ,,unbeanspruchte,~ Kalke. Zusammenfassend ist festzuhalten, daf~ mit den beschriebenen Untersuchungen ein homogen anisotropes Gefiige in den Malmkalken n i c h t nachgewiesen werden konnte. Wellenkalk Auf entsprechende umfangreiche Untersuchungen yon Muschelkalk-Proben konnte verzichtet werden, da bereits Detailuntersuchungen an Anschliffen feinstgekliifteter Wellenkalk-Proben Be-

Abb. 13. Brucharrestlinie und Umbiegen der Spaltstufenrichmng bei erneutem Bruchstart in KCI (oben, Balken 200 ~m), vergMchbares Bruchverhaken im Malmkalk (unten, Mai~stab mit mm-Teilung). Bruchverlauf von unten nach oben.

baraufschlusses durchgeffihrt. Die Schliffe zeigen keine lichtmikroskopisch aufl6sbare Strukturierung der enggekliifteten Kalke, auch keine Unterschiede zu den ,,unbeanspruchtem~ Gesteinen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von frischen Bruchfl~ichen ergaben ebenfalls keine Hinweise auf eine Geffigeanisotropie. Ferner wurden umfangreiche R6ntgenreflex-Untersuchungen mit einem R6ntgendiffraktometer D 500 (Siemens) durchgefiihrt. Als diagnostische Parameter ffir Teilchengr6t~e, Gitterfehlordnung, Mikrodehnungen (_Knderungen der Gitterkonstanten) und Texturen wurden die Absolutlage des Winkels 2 0 , die Halbwertsbreite der R6ntgenreflexe und ihre maximale Intensit~it bestimmt. Zur Untersuchung gelangten Proben sowohl von den enggekliifteten Malmkalken als auch yon den unversehrten Kalksteinen des Nachbaraufschlusses. Es wurden jeweils Probenfl~ichen parallel zur Schichtung und in

Abb. 14. Zwei Teilbruchfronten laufen hinter Arrestlinie (gestrichelt) aufeinander zu; oben: KC1 (Balken ~ 200~m), unten: Malmkalk (Balken ~- 1 cm).

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Abb. 15. Spaltstufen in KC1 (links, Balken ~- 0,5 ram) und Plumose-Strukturen im Malmkalk (Balken ~ 2 cm) im Bereich eines quer zur Bruchrichtung verlaufenden Risses. Bruchverlauf von unten nach oben.

Abb. 16. Spaltstufenorientierung im Bereich einer Bohrung in KC1 (links) und Plumose-Strukturen im Bereich eines kleinen Hohlraums im Malmkalk. Bruchverlauf yon unten nach oben.

Die Entstehung von Plumose-Kluft-fl~chenmarkierungen

315

Abb. 17. Engst~indige K1/iftung im Wellenkalk, Anschliff parallel zur Schichtung und Plumose-Strukturen auf Kluft-. fl~iche. Matgstab mit mm-Teilung.

Abb. 18. Versatzfreies Kreuzen yon Mikrorissen im Wellenkalk. Detailaufnahme von Abb. 17 (links unten).

Abb. 19. Band von Mikrorissen im Wellenkalk. Detailaufnahme yon Abb. 17 (links unten). Mikroskopaufnahmen im Streiflicht.

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funde erbrachten, die die Entstehung der PlumoseStrukturen letztlich verst~indlich erscheinen lassen. Abb. 17 zeigt oben (links) eine Wellenkalk-Probe mit natfirlich herausge~itzter, engst~indiger Klfiftung, darunter einen Anschliff parallel zur Schichtung. In der Probe ist eine Kluft ge6ffnet; die Kluftfliiche ist mit charakteristischen Plumose-Strukturen besetzt (oben rechts). Abb. 18 zeigt eine Detailaufnahme des Anschliffs, die auger der Engst~indigkeit im wesentlichen zwei sich unter spitzem Winkel kreuzende Rigsysteme erkennen l~igt. Es wird deutlich, dag das Kreuzen v e r s a t z f r e i erfolgt. Schlieglich zeigt eine nochmalige Vergrggerung das Auftreten von B~indern paralMer Linien, deren Abstand weniger als 50/~m, betragen kann (Abb. 19). Sowohl diese B~inder als auch das spitzwinklige, versatzfreie Kreuzen schliegen nach bruchmechanischen Kriterien aus, dag es sich um Rigausbreitung bei Spr6dbruch unter Zug- oder Schubbeanspruchung handelt. Die Unm6glichkeit einer paralMen Rigbildung (auf dem Anschliff im Abstand von wenigen Zehnern von Mikrometern fiber eine L~inge von mehreren Zentimetern) wurde bereits dargelegt (siehe auch Anhang 2). Zum spitzwinkligen, versatzfreien Kreuzen ist zu bemerken: Wenn ein Rig auf die freie Oberfl~iche eines anderen Risses zul~iuft, h~ilt er dort zun~ichst an, und es ist v611ig ungewig und unbestimmt, wie eine weitere Rigfortpflanzung fiber diese Diskontinuit~it hinaus erfolgen wird. Das h~ingt yon der nun ver~inderten Spannungsverteilung und der Anordnung m6glicher Rigkeime ab (vergl. auch HAGAN(1980)). Die beschriebenen Erscheinungen sind vielmehr typisch ffir Fliegvorgiinge bei plastischer Deformation, wie es z. B. in vielen Metall-Kristallen beobachtet wird. Auch in isotropen Medien sind sich kreuzende Fliegfl~ichen experimentell erzeugt worden (HAGAN 1980). Systeme yon Fliegfl[ichen wurden ebenfalls in den Experimenten yon HOEPPENER und Mitarbeitern (HoEPPENER et al. 1969, SCHRADER 1970) an Tonpasten und Sanden beobachtet. Da der vorliegende Wellenkalk nach seiner Verfestigung sicher nicht unter Druck-Temperatur-Bedingungen geraten ist, bei denen Fliegverformung m6glich war, mug angenommen werden, dag die Ausbildung dieses Gefiiges bereits sehr frfih (frfihdiagenetisch, vielleicht sogar synsediment~/r) erfoIgre.

Ffir die Bildung yon Kluftfl~ichen mit PlumoseStrukturen im Malm und Wellenkalk ergibt sich mithin zwanglos folgendes Bild: Die aus dem Vergleich mit der Bruchbildung im KC1 geforderte Anisotropie wird durch duktil angelegte GleitfI~ichen und Gleitb~inder vorgegeben, die Zonen reduzierter Bin-

defestigkeit darstellen. Die Plumose-Strukturen entstehen bei einem sp~iteren Spr6dbruch l~ings dieser Fl~ichen bzw. innerhalb der Gleitb~inder entsprechend dem Spaltstufenmechanismus in Alkalihaiogenid-Kristallen. Der Abstand der Gleitfl~/chen von weniger als 50/ira bis zu einigen 100 #m entspricht auch den Reliefunterschieden bei den beobachteten Plumose-Strukturen. Ubertr~igt man diese Erkennmisse auf den Malm-Kalk, so wird verst~indlich, dag die Suche nach einer h o m o g e n e n Geffigeanisotropie nicht erfolgreich war. Es wird angenommen, dag in diesen Proben urspriinglich ebenfalls Gleitb~inder vorhanden waren, die aber bereits durch laufende Brfiche zerst6rt wurden und deshalb nicht mehr beobachtet werden k6nnen. Die Annahme wird durch den Befund gest/itzt, dag Anschliffe der Malm-Proben die Mikrorisse grunds~itzlich ats schwach wellenf6rmige Linien zeigen, die noch zusammenh~ingenden RigflSchen also bereits das Plumose-Relief aufweisen. Engst~indige Kltiftung sungsrippeln,<

und

,,L6-

Die Annahme, dag die engst~indige Klfiftung mit BFM auf ein frfih angelegtes Geffige zuriickgeffihrt werden kann, ist m6glicherweise auch im Zusammenhang mit der Beobachtung zu sehen, dag im beschriebenen Wellenkalk-Aufschlug die Streichrichtung dieser Kliiftung mit der Streichrichtung der sogenannten L6sungsrippeln fibereinstimmt. Die L6sungsrippeln (oder Wellenstreifen) sind eine hinsichtlich der Genese vielfach diskutierte Geffigeform, die sich durch ihre regionale Richtungskonstanz bemerkenswert auszeichnet und die yon mehreren Autoren (z. B. VOSSMERBXUMeR (1973), SCHWARZ(1975), KVaZE(1981)) als synsediment~ir bis frfihdiagenetisch angelegt angesehen wird. Wieweit dieses Zusammentreffen zuf~illiger Namr ist oder einen gesetzm~igigen Zusammenhang aufzeigt, mug weiteren Untersuchungen vorbehalten bMben. Als Hinweis auf eine sehr frfihe Anlage der engst~indigen Klfiftung ist auch ihre Geometrie innerhalb der subaquatisch (?) verfalteten Wellenkalk-Schichten anzusehen. 7. Zusammenfassung und Diskussion der ErgebHisse

Modellvorstellung Ais Resultat der Untersuchungen ergibt sich folgende Modellvorstellung zur Entstehung der BruchfI~ichenmarkierungen vom PIumose-Typ: Danach bilden sich diese Strukturen in anisotropen Gestei-

Die

Entstehung

von

Plumose-Kluftfl~ichenmarkiemngen

nen bei Bruchausbreitung parallel zu Ebenen reduzierter Bindefestigkeit. Dabei ist es nicht notwendig, dat~ das Gestein h o m o g e n anisotrop ist. Plumose-Strukturen sind Ausdruck der fortschreitenden Bruchfront in eng benachbarten, parallelen Ebenen. Die Plumose-Strukturen stellen Verbindungselemente zwischen diesen potentiellen Rii~ausbreitungsebenen dar, analog den Spaltstufen bei der Bruchausbreitung in spaltbaren Kristallen. Verantwortlich fiir die Anisotropie k6nnen friihdiagenetisch angelegte Gefiigeelemente wie Gleiffl~ichen oder Gleitb~inder sein. Beobachtungen von Plumose-Strukturen im Gel~inde bieten mithin die M6glichkeit, entsprechende Geffigeanlagen aufzuzeigen. Die Modellvorstellung wird gestiitzt dutch die Beobachtung, daf~ Plurnose-Strukturen in makroskopisch anisotropen Gesteinen, wie z. B. Schiefern, nicht selten aber nut dann auftreten, wenn die Bruchfl~iche sehr kMne Winkel mit der Schieferungsebene bildet oder in ihr verl;,iuft (vergl. auch GASH (1971, 354)). Die Modellvorstellung beantwortet die wesentliche, zu Anfang gestellte Frage: BFM vom Plumose-Typ sind, sofern nicht zus~itzliche Kriterien gefunden werden k6nnen, n i c h t diagnostisch f[ir einen bestimmten Beanspruchungsmodus (Schuboder Zugbeanspruchung mit Scher- bzw. Trennbruch). Vielmehr sollte gerade die Beobachtung derartiger BFM Anlaf~ zu Vorsicht bei klufttektonischen Analysen geben. Kliiftung mit Plumose-Strukturen kann einer bereits sehr fri,ih angelegten Gesteinsanisotropie folgen und zu Fehlschliissen bez[iglich der Orientierung der Hauptspannungsrichtungen nach den bekannten Kriterien fiir isotrope Medien ffihren (vergl. auch Pt~IcE(1975, 64ff)). Die Untersuchungen sind mithin auch als ein Beitrag zur nach wie vor diskutierten Frage der Kluftentstehung zu sehen. Zur Theorie

von GASH(1971)

Auf die Theorie yon GASHmit der Deutung der BFM als ~,Interferenzbilder~
317

Zu 1. : Die geometrische Konstruktion der Plumose-Strukturen aus der Lage der reflektierenden Elemente (z. B. Bankober- und -unterseite) ist fiir die relativ einfach strukturierten Feder- und Besenmarkierungen zu realisieren, versagt jedoch fiir die im Malta und Muschelkalk zu beobachtenden komplizierteren Bruchfl~ichenbilder: - BFM in der Umgebung von Hohlr~iumen und Rissen

- Aufspalten der Bruchebene nach Bruchhindernissen

- Umschwenken der BFM nach Arrestlinien und in Richmng auf Stufen Plumose-Strukturen auf stark gekriimmten Kluftfl~ichen keinerlei erkennbarer Zusammenhang zwischen einer unregelm~i~igen Begrenzung der Klufffl~iche und dem Verlauf der BFM; ein solcher Zusammenhang miii~te durch den Reflexionsprozef~ gegeben sein. - die relativ h~ufigen Spiralbriiche Innenbriiche mit entgegengesetzt laufenden Federmarkierungen UbergangvonFeder- inBesenmarkierungen-und umgekehrt. Damit soll nicht bestritten werden, daf~ die Ausbreitung der Hauptbruchfront und eine Reliefierung der Bruchfl~iche (auch bei den Plumose-Strukturen) dutch elastische Wellen gesteuert werden kann, wie yon GASH(1971) postuliert. Entsprechende Vorstellungen finden sich abet bereits bei WALLNER(1939), KIES et al. (1950), SCHARDIN(1950) und anderen. Zu 2. : Die Experimente zur Bruchausbreitung in Kristallen und in isotropen Thermoplasten zeigen eindringlich, daf~ die charakteristischen PlumoseStrukturenbei Z u g b r i i c h e n s y s t e m a t i s c h auftreten. Zur Hypothese

MUEHLBERGZ~S ( 1 9 6 1 )

Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen haben auch Bedeutung ftir die Diskussion iiber die Entstehung yon spitzwinkligen Scherbrtichen. Soiche konjugierten Bruchfl~ichenpaare sind vielfach beschrieben worden (aul~er MU~HLBERC~(1961) Z. B. HOPPIN (1958), SP~NCEt~(1959), WISE(1959), GP,IGGS & HANDIN(1960), Bt
318

K. ERNSTSON& M. SCHINKER

(1980 a)), ist keineswegs unumstritten. In einer neueren Arbeit hat sich BOCK(1980 a) kritisch mit dieser Frage und insbesondere auch mit der Hypothese MUEHLBERCERSauseinandergesetzt, der eben diese LEoN'sche Modifikation der COULOMB'schenEnveloppe bei klufttektonischen Analysen und Interpretationen benutzte. Im Znsammenhang mit den BFM ist wesentlich, dag MUEHLBERGERdas Auftreten yon Plumose-Strukturen auf solchen spitzwinkligen ScherfI~ichen als Stiitze fi.ir die Giiltigkeit der LEONParabel ansieht. Aus der Sicht dieser Untersuchungen mit dem Ergebnis, das Plumose-Strukturen nicht diagnostisch fiir Zug- oder Scherbeanspruchung sind, mug MUEHLBERGERSArgumentation umstritten bleiben. Dariiberhinaus wurden im Muschelkalk ebenfalls sehr spitzwinklige Kluftfl~ichenpaare mit Plumose-Strukturen beobachtet. Da fiir die engsfiindige Kliiftung mit BFM im Wellenkalk eine friihdiagenetisch angelegte ,,VorschSdigung<< nahegelegt wird, der diese Kliiftung im spSiteren Spr6dbruch gefolgt ist, sind m6glicherweise auch die sonst beobachteten spitzwinkligen Kluftpaare mit PlumoseStrukturen entsprechend zu deuten. Damit w~ire die A r g u m e n t a t i o n fiir die Existenz einer durchgehenden LEoN-Parabel fiir den Spr6dbruch in Frage gestellt. Dieser wichtigen Frage miiflte durch vermehrte Beobachtungen und experimentelle Untersuchungen nachgegangen werden.

stigkeit beim entgiiltigen Kollaps die geforderte Anisotropie liefern. Diese M6glichkeit mutg bei der Analyse plumose-besetzter Kluftfl~ichen in Betracht gezogen werden. Sie ist auch als Erkl~irung fiir das gelegentlich im Gel~inde zu beobachtende isolierte Auftreten yon Plumose-Strukturen zu erw~igen. Offene

Fragen

Wenn auch die Untersuchungen ergeben haben, daft die extrem engst~indige Kliiftung mit groger Wahrscheinlichkeit sehr friih in einem plastisch deformierbaren Medium angelegt wurde, so bleiben dennoch im wesentiichen zwei Fragen: 1. Welcher Natur waren diese urspriinglich plastisch-deformierenden Kr~ifteund 2. welcher ausl6sende Beanspruchungsplan lag der j/ingeren Kluftentstehung durch Spr6dbruch zugrunde? Eine dritte Frage kann die beiden vorangestellten miteinander verkniipfen: Ist eine solche friihe Geffigeanlage welt verbreitet, und sind nur ganz bestimmte Faktoren 6rtlicher oder/und zeitlicher Stellung fiir die Entstehung der engst~indigen Kliiftung verantwortlich? Es wurde bereits auf die m6gliche Verkniipfung der engstSndigen Klfiftung im Unteren Muschelkalk mit den Wellenstreifen hingewiesen. Diese im Wellenkalk weitverbreitete Gef/.igeform wird yon den meisten Autoren als synsedimentiir bis friihdiagenetisch angelegt betrachtet, wobei fiir die Anlage endogen-tektonische Kr~ifte, in jiingster Zeit aber auch Zum Konzept des , , a x i a l e n T r e n n Faktoren wie Erdrotation und Gezeitenkr~ifte diskubruchs<< y o n GRAMBEI~C ( 1 9 6 5 ) tiert werden (KuRzE 1981). Zwangsl~iufig mug auch Auch auf diese dritte, in der Einleitung angespro- die Gefiigeanlage fiir die engst~indige Kliiftung mit chene Arbeit soll hier noch einmal eingegangen wer- Plumose-Strukturen in diesem Zusammenhang geden. Im Gegensatz zu den von uns durchgefiihrten sehen werden, und weitere Untersuchungen k6nnBruchexperimenten konnte G~AMB~t~6bei einachsi- ten einen wesentlichen Beitrag zu diesem Problemgen D r u c kversuchen an zylinderf6rmigen Proben kreis liefern. Von Bedeutung ist dabei, daft diese engaus Solnhofener Kalken Bruchfl~ichen mit Plumose- st~indige Kliiftung als Gefiigeindikator in einem zeitStrukturen beobachten. Er sieht in ihnen einen ,,Be- lich wesentlich gr61~eren Abschnitt der Erdgeweis<
Die Entstehung von Plumose-Kluftfl~ichenmarkiemngen elastische Wellen (Erdbebenwellen) oder Stoi~wellen. Letzteres wird von RUTTE(Wiirzburg, pers. Mitteilung) im Zusammenhang mit dem Riesereignis erwogen. Extrem engst~indige Kliiftung wird auch vom Meteoritenkrater Steinheimer Becken beschrieben, die yon REIFF (1979) als Folge einer Stot~wellenbeanspruchung gedeutet wird. Eine dynamische AusI6sung halten auch RUMMEL(Bochum, pers. Mitteilung) und SPETZLER(Boulder, Col, pers. Mitteilung) for denkbar. Sie verweisen auf die im Malmaufschlui~ gegebene Wechsellagerung yon kompetenten und inkompetenten Schichten, die zu einer Energiekonzentration in Form von Kanalwellen gefiihrt haben k6nnte. Bei allen Deutungsversuchen daft letztlich aber nicht vergessen werden, daf~ fiir diesen erweiterten Fragenkreis noch zu wenig Beobachtungen und Daten vorliegen.

Anhang

1: E n e r g i e b e t r a c h t u n g e n

Der Zusammenhang zwischen dem durch die ~iut~ere Zugspannung induzierten Spannungsintensit~itsfaktor K~ und der resultierenden Rit~ausbreitungsgeschwindigkeit vB wurde experimentell an kluftfreien Malmkalk-Proben unterschiedlicher Orientierung bestimmt. Es wurde im Doppeltorsionsversuch unter Laborluft-Bedingungen und in Wasserumgebung gemessen. Die Rif~geschwindigkeiten lagen im Bereich zwischen etwa 10 -4 mm/s und etwa 10 mm/s. Die Messungen zeigen (Abb. 20), dat~ bereits eine geringfiigige Zunahme des Spannungsfaktors K~ yon etwa 22 N / m m s/2 bis 29 N / m m 3/2 die Rif~ausbreitungsgeschwindigkeit VBum nahezu fiinf Gr6f~enordnungen ansteigen l~if~t. Ein Einflui~ der Rit~ausbreitungsrichtung (bzw. der Pro-

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319

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Abb. 20. Bruchgeschwindigkeit VBais Funktion des Spannungsintensit~tsfaktors KI. Ergebnisse experimenteller Unrersuchungen an Malmkalk-Proben. Kreise, Quadrate bzw. Dreiecke entsprechen Bruchausbreitung nach A, B bzw. C (C parallei zur Schichtung). Offene Symbole: Messung in w~f~rigerUmgebung; ausgefLillte Symbole: Messung in Luft.

320

K. ERNSTSON& M. SCHINKER

benorientierung) auf den Zusammenhang KI-vB ist nicht zu erkennen, ebensowenig ein Einflut~ der Umgebung Luft oder Wasser. Mit Hilfe des Spannungsintensit~itsfaktors Ki fiir sehr langsame Ritgausbreitung, z . B . K I c = 20 N / m m 3/2 (extrapoliert fiir vB = 10 -s mm/s; der Index c steht fiir ,,critical,,), i~it~t sich der minimale Bruchenergiebedarf abschi/tzen, der n6tig ist, um die gesamte engst~indige Kliiftung im Aufschlufg des Malm zeta zu erzeugen. Zwischen der spezifischen Bruchenergie GI und dem Spannungsfaktor K~ besteht der Zusammenhang GI = KI 2 (1 -

v2)/E,

wobei v die Poisson-Konstante und E der Elastizit~itsmodul ist. Ftir den Malm-zeta-Kalk wurde mit Ultraschall-Impulsechomessungen ein Elastizifiitsmodul yon E = 71000 N/ram 2 bestimmt. Die Pois'son-Konstante wurde mit v = 0,315 aus BERGMANN (1954) iibernommen. Das ergibt Gic = 5,1 J / m 2. Nimmt man an, daf~ sich die 110~ auf dern gesamten Areal des Aufschlusses (50000 m 2) fiber die aufgeschlossene M~ichtigkeit yon etwa 2 rn rnit einem mittleren Kluftabstand yon 1,5 mm (so gemessen an einigen gr6i~eren Proben) erstreckte, so errechnet sich ftir das betrachtete Volumen eine gesamte Ktufffl~iche yon A = 67 9 106 m 2. Damit ergibt sich ftir die Gesamtkluftfl~ichenenergie Wic unter der Annahme sehr langsamer Rif~aus-

breitung entlang der gesamten Kluftfl~ichen, Wic = Gic - A, ein Wert yon Wic = 3,4 ' 108 J. Extrapoliert man in Abb. 21 auf Bruchh6chstgeschwindigkeiten (Index b), so erh~ilt man mit grob Kib = 30 N/ram a/2 eine Gesamtkluftenergie von Wib = 7,6 9 108 J.

Anhang 2: B r u c h m e c h a n i s c h e Modellbetrachtungen zur Entstehung engst~indiger Kliiftung Es wird angenommen, daf~ durch irgendeinen Kluftbildungsmechnismus aus einer isotropen Gesteinsbank ein Block mit paratlelen Kanten herausgetrennt wurde. Dieser Block m6ge genau in der Mitte zwischen den beiden parallelen Kliiften einen hinreichend scharfen und geraden, ritgartigen Fehler enthalten, so daf~ der Block in bruchmechanischer Hinsicht wie eine DCB-Probe zu betrachten ist (Abb. 21). Greifen an den Enden des Blockes Zugkr~ifte senkrecht zu den Kluftfl~ichen an, so wird sich dieser Rig als parallele Kluft richtungsstabil nur dann erwekern und ausbreiten k6nnen, wenn bei den an der Rit~spitze induzierten Spannungsintensit~itsfaktoren der Faktor Ki, d. h. der des reinen Offnungsmodus, den des Schubmodus, Kn, iiberwiegt. Charakteristisch fiir die DCB-Probe unter Zugbeanspruchung F - und in versdirktem Matge unter Schubbeanspruchung S - ist ein mit zunehmender Ris ansteigendes Verhiilmis Kn/KI. Das bedeutet eine mit zunehmender Rit~l~inge ansteigende Instabilit~it der

pora[[e[e K[Offe,

Abb. 21. Rigausbreitung in DCB-Probe. Erl~iuterung im Text.

rei

Die Entstehung von Plumose-Kluftfl~ichenmarkierungen Rif~ausbreitungsrichtung. Die stets vorhandenen Materialinhomogenit~iten wie Kristallkorngrenzen u n d Hohlr~iume fiihren als Rit~hindernisse zu einem lokalen Abknicken u n d Instabilwerden der Bruchrichtung u n d damit zu einem verst~irkten A n steigen des VerhSlmisses KII/KI. H a t abet eine mikroskopische Rif~ablenkung erst einmal stattgefunden, so wird der Rit~ mit welter steigendem Kn/KI vollends auf breiter F r o n t richtungsinstabil und auf eine der ~iuf~eren Kluftfl~ichen zulaufen. Entsprechende Betrachtungen zeigen, dat~ bei reiner Schubbeanspruchung in noch st~irkerem Matge eine Richtungsinstabilit~it des Risses gegeben ist. Die anfangs geforderte Voraussetzung, daf~ sich der Startrif~ genau in der Mitte befindet, ist namrgem~it~~iut~erst unwahrscheinlich. Sobald der Bruch jedoch nicht mehr in der Mitte zwischen den beiden ~iuf~eren Kliiften beginnt, werden die beiden Balken der D C B - p r o b e n f g r m i g e n Bank ungleichm~il~ig deformiert. Damit ist yon vornherein eine Richmngs-

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instabilit~it gegeben. In einem homogenen, isotropen Block, der durch zwei parallele Kliifte begrenzt ist, k 6 n n e n sich keine weiteren parallelen Risse unter der W i r k u n g ~iutgerer Kr~ifte richtungsstabil erweitern. Danksagung

Die bruchmechanischen Untersuchungen wurden am Fraunhofer-Institut ffir Werkstoffmechanik in Freiburg durchgefiihrt. Wir bedanken nns fiir die F6rderung der Arbeiten dutch den frfiheren Institutsdirektor, Prof. Kerkhof, und seinen Nachfolger, Dr. Sommer. Unser Dank gilt auch besonders Dr. D6ll, Freiburg, f/Jr viele fruchtbare Diskussionen und sein Bemiihen, einen reibungslosen Abiauf der technischen Arbeiten zu gew~hrleisten. Fiir die Durchf(ihrung der KI-vB- und R6ntgenbeugungsmessungen bedanken wir uns bei Dr. Richter und Dipl.-Phys. Pfeiffer (Freiburg). Anregungen verdanken wir den Diskussionen mit Prof. Rutte, W/irzburg, Prof. Rummel, Bochum, und Dr. Spetzler, Boulder (Col.). Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danken wir fiir eine ansehnliche Sachbeihilfe.

Literaturverzeichnis

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