strukturna geologijargn.hr/~bruntom/nids_bruntom/pdf strukturna geologija/04... · 2013. 5. 14. ·...

STRUKTURNA GEOLOGIJA

1

PUKOTINE –morfološke &

kinematske značajkei klasifikacija

Bruno Tomljenović

PUKOTINE... su planarne deformacijske strukture koje u stijenama nastaju kao posljedica krtog loma, čime se smanjuje kohezija stijene.

2Strukturna geologijaB. Tomljenović

Strukturna analiza pukotina u pravilu obuhvaća sljedeće istraživačke postupke:

• Analizu rasporeda, orijentacije i učestalosti pukotina -definiranje setova, odnosno sustava pukotina

• Analizu morfoloških značajki na stjenkama pukotina i njihovu genetsku klasifikaciju


njihovu genetsku klasifikaciju• Određivanje relativne starosti među pukotinama• Definiranje odnosa rasporeda i orijentacije pukotina

prema kogenetskim strukturama (najčešće rasjedima i borama)

1. Analiza rasporeda, orijentacije i geometrijskih značajki pukotina

S obzirom na raspored i orijentaciju pukotina u promatranom stjenskom tijelu razlikujemo:

• Sistematične pukotine


• Sistematične pukotine• Nesistematične pukotine

Sistematične pukotine obilježava planarna geometrija, subparalelna do paralelna orijentacija i pravilan prostorni raspored u promatranom stjenskom tijelu.


Aerofoto snimka područja Sheshymore na zapadnoj obali Irske (iz Gillespie et al., 2001). Primjer idealnog područja za detaljnu terensku i kabinetsku analizu pukotina !!!


Dio snimke označen zelenim kvadratom na prethodnom slajdu. Sustav pukotina u donjokarbonskim vapnencima čini više setova sistematičnih pukotina i sporadične, nesistematične pukotine.

Sustav sistematičnih pukotina:set I, set II, set III


Orijentaciju pukotine određuju pružanje, smjer nagiba i kut nagiba pukotine. Podaci o orijentaciji pukotina prikupljeni direktno na izdancima ili na orijentiranim jezgrama u pravilu se prikazuju na dijagramima u stereografskoj projekciji, odnosno stereogramima.


Orijentacija pukotina na tri lokaliteta u području Sheshymore na zapadnoj obali Irske (iz Gillespie et al., 2001). Orijentacija pukotina prikazana je projekcijom normala na donju polukuglu.

Ukoliko je poznato samo pružanje pukotina (npr. pri analizi pukotina pomoću aerofoto i satelitskih snimaka), njihova se orijentacija iskazuje pomoću rozeta dijagrama,


Orijentacija istih setova pukotina kao i na prethodnom slajdu (iz Gillespie et al., 2001). U ovom slučaju, međutim, orijentacija pukotina prikazana je pružanjem na rozeta dijagramu, pri čemu smjer i kut nagiba pukotina ostaje nepoznat.

Također, pružanje pukotina može se prikazati i pomoću histograma pružanja.


Orijentacija istih setova pukotina kao i na prethodna dva slajda (iz Gillespie et al., 2001). U ovom slučaju orijentacija pukotina prikazana je histogramima pružanja, pri čemu smjer i kut nagiba pukotina također ostaje nepoznat.

Usporedba prikaza orijentacije istih setova pukotina pomoću stereograma i rozeta dijagrama


Osim podataka o orijentaciji i rasporedu setova pukotina, za cjelovitu analizu pukotina potrebno je odrediti i - duljinu pukotina, - otvorenost pukotina, - veličinu razmaka među pojedinim pukotinama

(odnosno učestalost pukotina) te - gustoću pukotina,


- gustoću pukotina,

te ustanoviti mijenja li se koji od ovih parametara s obzirom na:- promjenu petrografskog sastava stijena,- promjenu debljine slojeva i dr.


Učestalost pukotina istog seta moguće je iskazati pomoću prosječnog razmaka među pukotinama toga seta, mjerenjem po pravcu okomito na pružanje seta.


Također, učestalost pukotina istog seta moguće je iskazati brojanjem pukotina toga seta unutar određenog “standardnog” okvira promatranja (npr. unutar kružnice, kvadrata i sl.).


Korištenjem ovakvog standardiziranog okvira opažanja moguće je iskazati i gustoću pojedinog seta pukotina (ρp), kao omjer kumulativne duljine pukotina odgovarajućeg seta (L) i površine

kruga opažanja: ρp = L / r2π

Pouzdanosti na ovaj način prikupljenih parametara zavisi od broja i položaja mjernih točaka. U pravilu nastojimo postići što je moguće više mjernih točaka, pravilno raspoređenih u prostoru (mreža točaka opažanja).

Sistematične i nesistematične pukotine na


pukotine na lokalitetu St. Tudwasls u Walesu (iz Ramsay & Huber, 1988).

Raspored, učestalost i orijentacija pukotina ovise o mehaničkim svojstvima stijena


Varijabilna učestalost vertikalnih pukotina ovisno o litološkom sastavu i debljini slojeva u sedimentnim stijenama područja Monument Valley, Colorado, SAD (iz Ramsay & Huber, 1988).

U stijenama istog sastava, učestalost pukotina je u pravilu veća u tanjim slojevima, a manja u debljim slojevima.


Učestalost pukotina ovisna je i o litološkom sastavu, odnosno mehaničkim svojstima stijena. Pukotine su dobro razvijene u krtim, kompetentnim stijenama, dok su u nekompetentnim manje učestale ili potpuno izostaju.


Varijabilna učestalost vertikalnih pukotina ovisno o litološkom sastavu: dobro razvijene i ušestale pukotine u sloju kalkarenita, u odnosu na krovinske i podinske lapore u kojim su pukotine rijetke ili potpuno izostaju (gornjobadenski sedimenti, NE Medvednica).

Završeci pojedinačnih pukotina po pružanju pokazuju karakterističnu geometriju pa se najčešće razlikuju:

A. pravocrtni,B. zakrivljeni,C. granasti,


C. granasti,D. preklapajući iE. ešalonirani

završeci

Prostorni raspored, relativna starost i karakteristični završeci pukotina u turonskim karbonatima na jugu Izraela (iz Eyal et al., 2001). Legenda za oznake: 1-3 označava relativnu starost setova pukotina; e – ešalonirani


pukotina; e – ešalonirani završeci pukotina; h –preklapajući završeci pukotina; t – zakrivljeni završeci pukotina; scj – sistematične poprečne pukotine; ncj – nesistematične poprečne pukotine;.

Tenzijske pukotine sa zakrivljenim završecima u zoni preklapanja na lokalitetu Krafla na Islandu (iz Acocella et al., 2000).


Završeci pukotina u pojedinim stadijima progresivnog razvoja pukotina (iz Acocella et al., 2000):

A. Početni stadij – bez preklapanja


B. Zreli stadij –stadij preklapanja

C. Završni stadij –stadij povezivanja

2. Analiza morfoloških značajki na stijenkama pukotina i njihova genetska klasifikacija

Morfološke značajke na stjenkama pukotina, kao i tip mineralne ispune u prostoru između stjenki, često sadrže informacije nužne za pravilno tumačenje geneze pukotina i njihovog kinematskog razvoja. Među morfološkim značajkama posebno su značajne:


• Peraste strukture• Agregati vlaknastih minerala u

pukotinama (žilama) ili na stjenkama pukotina

• Stilolitski šavovi• Strije

1. Peraste strukturečine nizovi milimetarskih grebena i brazdi koji se, idući od središnje točke ili središnje osi radijalno i pretežito simetrično šire na stjenki pukotine prema njenim rubovima. Ovo je tipično morfološko obilježje na stjenkama vlačnih ili tenzijskih pukotina.



Perasta struktura na stjenki vlačne pukotine u kambrijskom slejtu s lokaliteta Dinorwic u sjevernom Walesu, UK (iz Ramsay & Huber, 1988).


Perasta struktura na stjenki vlačne pukotine u gornjodevonskom pješčenjaku Ithaca formacije (Apalači, SAD; iz McConaughy & Engelder, 2001).

Idući od središta prema rubovima pukotine, stjenka glavne pukotine je najčešće raščlanjena u niz manjih, rubnih pukotina, koje na slojnim plohama pokazuju ešalonirani raspored i dijagonalnu orijentaciju u odnosu na pružanje glavne pukotine.


Niz pratećih pukotina u perastoj strukturi koje na slojnoj plohi pokazuju ešalonirani raspored u odnosu na trag glavne pukotine - sloj pješčenjaka iz područja Valais u zapadnoj Švicarskoj (iz Ramsay & Huber, 1988).

Peraste strukture često prati i školjkast lom što je također morfološko obilježje karakteristično za vlačne pukotine.


Perasta struktura i školjkast lom na stienki vlačne pukotine (kamenolom Grantshouse, Berwickshire, Škotska; iz Roberts, 1989).

Peraste strukture koristimo i pri interpretaciji kinematskog razvitka vlačnih pukotina. Naime, smjer u kojem divergiraju grebeni i brazde, ujedno je i smjer progresivnog otvaranja vlačne pukotine.


Perasta struktura na stjenkma vlačnih pukotina u gornjodevonskom pješčenjaku Ithaca formacije na izdanku Montour Falls (Apalači, SAD; iz McConaughy & Engelder, 2001).

Pratimo li tragove grebena i brazdi u suprotnom smjeru, odnosno u smjeru njihove konvergencije, svi se stapaju u točki, odnosno u točkama koje označavaju mjesto odakle je započelo otvaranje vlačne pukotine.


Na taj način, analizom perastih struktura moguće je pouzdano rekonstruirati kinematske pokrete pri otvaranju i razvoju vlačnih pukotina !!!

Simetrične i asimetrične peraste strukture na stienkama vlačnih pukotina


vlačnih pukotina (iz De Graff & Aydin, 1987).

2. Agregati minerala vlaknastog (fibroznog) habitusa u pukotinama


Agregat vlaknastih kristala kvarca u vlačnoj pukotini (Cornwall, Engleska; iz Roberts, 1989).

Agregati vlaknastih kristala (najčešće kvarca i kalcita) nastaju kristalizacijom minerala istovremeno s postupnim otvaranjem pukotina. Dakle, rast vlaknastih kristala istovremen je sa svakim pojedinim, vrlo malenim pomakom između stjenki pukotina. Pri tom, vlaknasti kristali pokazuju karakterističnu preferiranu orijentaciju i rastu paralelno s najduljom osi elipsoida, odnosno elipse deformacije (osi X), tijekom pojedinih stadija progresivnog otvaranja pukotina.


Agregat vlaknastih kristala kalcita u vlačnoj pukotini u vapnencu (iz Ramsay & Huber, 1987).

Ukoliko u pojedinom stadiju tijekom progresivnog otvaranja pukotina, dođe do promjene orijentacije najdulje osi elipse deformacije (x) , ova se promjena direktno odražava i na orijentaciju vlaknastih kristala, pa kristali često pokazuju zakrivljenu geometriju.


Zakrivljeni vlaknasti kristali kvarca i kalcita u silificiranom vapnencu (Gemmipass, Aar masiv, Švicarska; iz Ramsay & Huber, 1987).

Ramsay i Huber (1983, 1987) su analizom zakrivljenih vlaknastih kristala došli do zaključka da je njihova orijentacija posljedica primarnog rasta kristala u različitim smjerovima, a ne posljedica njihove naknadne deformacije (npr. boranja), jer bez obzira na različitu orijentaciju pokazuju iste optičke značajke. Različitu orijentaciju vlaknastih kristala objasnili su njihovim rastom paralelno s osi X elipse deformacije koja je mijenjala orijentaciju tijekom deformacijskog događaja.

Detalj zakrivljenih vlaknastih kristala kalcita pod ukrštenim nikolima


ukrštenim nikolima (iz Ramsay & Huber, 1987).

Na taj način, analizom orijentacije vlaknastih kristala u tenzijskim pukotinama (žilama), moguće je precizno rekonstruirati pokrete i kinematsku evoluciju otvaranja ovih pukotina, pri čemu vrijedi da:

1. vlaknasti kristali povezuju točke na nasuprotnim stjenkama pukotine koje su prije otvaranja pukotine bile jedna uz drugu;

Antitaksijalna žila u kvarcitu ispunjena vlaknastim


ispunjena vlaknastim kristalima kalcita(iz Ramsay & Huber, 1987).

2. vlaknasti kristali rastu paralelno pravcu najvećeg izduženja između stjenki pukotina, pa su u slučaju jednosmjernog otvaranja pukotine gotovo idealno pravocrtni, dok su u slučaju progresivnog otvaranja pukotine uz promjenu smjera otvaranja zakrivljeni.


Pravocrtni vlaknasti kristali kvarca u kvarcnom pješčenjaku (iz Ramsay & Huber, 1987).

Zakrivljeni vlaknasti kristali kalcita u šejlu (iz Ramsay & Huber, 1987).

S obzirom na tip vlaknastih kristala i način njihova rasta pri progresivnom otvaranju tenzijskih pukotina /žila, razlikuju se:

• Sintaksijalne žile koje su ispunjene vlaknastim kristalima istovjetnog mineralnog sastava s mineralima na stjenkama pukotine i koji su tijekom otvaranja pukotine rasli od


otvaranja pukotine rasli od stjenki pukotina prema središtu;

(iz Ramsay & Huber, 1987)

• Antitaksijalne žile koje su ispunjene vlaknastim kristalima različitog mineralnog sastava od minerala na stjenkama pukotine, i koji su tijekom otvaranja



tijekom otvaranja pukotine rasli od središta prema stjenkama pukotina.

kvarcit kvarcit

metakarbonat


metakarbonat

Primjer antitaksijalne žile u kvarcitu uloženom u metakarbonatu, ispunjene vlaknastim, pravocrtnim i zakrivljenim kristalima kalcita, koji ukazuju na progresivno otvaranje pukotine, pri čemu je došlo do promjene smjera otvaranja (iz Tomljenović, 2002).

3. Stilolitski šavoviStijenke pukotina šavoliko se stapaju jedna u drugu kao posljedica tlačnog otapanja. Pri tom, vrhovi “zubića” na stilolitskom šavu su orijentirani paralelno najduljoj osi elipsoida naprezanja (σ1). Ovo morfološko obilježje tipično je za tlačne (kompresijske) pukotine.


Kosi stiloliti na stjenki tlačne pukotine u vapnencu (iz Ramsay & Huber,1988).

Primjer tlačnog otapanja ooida duž stijenke tlačne pukotine (crvena strelica). Istovremeno, naprezanje u stijeni je djelomično kompenzirano i krtim lomom i izduženjem ooida okomito na smjer navećeg naprezanja, uz formiranje pravocrtnih, vlaknastih kristala kalcita (plava strelica), parelelnih s osi X elipse deformacije.


4. Strije i stepeničasti agregati vlaknastih kristala

Mineralna ispuna između stjenki pukotina koju čine vlaknasti kristali dijagonalno orijentirani na stjenke pukotine, ukazuju su translaciju stjenskih blokova s jedne u odnosu na drugu stranu pukotine

Ovaj tip pukotina naziva se smičnim


smičnim pukotinama, koje, kad pomak premašuje par cm, prelaze u rasjede.

(prema Ramsay & Huber, 1987)

Nakon erozije stijena s jedne strane pukotine, ostaje nam sačuvan agregat vlaknastih kristala, koji se na jednom kraju stapa sa stjenkom pukotine, a na drugom naglo završava (poput “stepenice”), Strmije nagnute strane (“stepenice”) pokazuju smjer pomaka stjenskih blokova koji nedostaju, odnosno koji se nalaze u krovini ovih agregata.

Stepeničasti agregati vlaknastih kristala kacita na


kristala kacita na smičnoj pukotini u gornjoecenskom kalkarenitu u kamenolomu kod Omiša. Strelica pokazuje smjer pomaka krovinskog krila.

Genetska klasifikacija pukotina

A. Endokinetičke (primarne) pukotine


B. Egzokinetičke (sekundarne, tektonske) pukotine

A. Endokinetičke (primarne) pukotinenpr. pukotine lučenja, desikacijske pukotine


Lijevo: Stubasto lučenje u gornjomiocenskim bazaltima (Hegyestü, Mađarska).

Desno: Desikacijske pukotine na gornjoj slojnoj plohi mikrita ispunjene krupnozrnatim sedimentom (Clairdon Head, Škotska; iz Roberts, 1989).

B. Egzokinetičke (sekundarne, tektonske) pukotine

1. Vlačne (tenzijske) pukotine (engl. tension / extension joints, fractures): Nazivaju se i pukotinama tipa I (engl. mode I joints, fractures). Otvaranje ovih


fractures). Otvaranje ovih pukotina je okomito na stjenke.

1. Vlačne (tenzijske) pukotine:U idealnom slučaju ove su pukotine orijentirane okomito na najkraću os elipsoida naprezanja (os σ3).


2. Tlačne (kompresijske) ili stilolitske pukotine(engl. Stylolitic joints) su idealnom slučaju orijentirane okomito na najdulju os elipsoida naprezanja (σ1).


3. Smične (klizne) pukotine (engl. Shear or sliding joints, fractures) Razlikuju se one kod kojih je smicanje paralelno s pružanjem pukotine = pukotine tipa II (engl. Mode II joints, fractures), te one kod kojih je smicanje okomito napružanje pukotine = pukotine tipa III(engl. Mode III joints).


joints). Posljednje se nazivaju i škarastim pukotinama(engl. Scissor joints).

Smične pukotine često se javljaju u formi konjugiranih parova, koje čine dvije, kinematski kompatibilne smične pukotine (ili dva kinematski kompatibilna seta smičnih pukotina), pri čemu vrijedi da:

• srednja osi elipsoida naprezanja (σ2) je paralelna presječnici konjugiranog para smičnih pukotina.

• najdulja os elipsoida


• najdulja os elipsoida naprezanja (σ1) predstavlja simetralu oštrog kuta među smičnim pukotinama

Relativna starost među pukotinama

• Mlađe pukotine prestaju na starijim, otvorenim pukotinama, jer se ne mogu dalje razvijati kroz slobodan prostor;

• U slučaju smičnih pukotina, kao i kod rasjeda, vrijedi da mlađe smične pukotine prekidaju i translatiraju dijelove starijih pukotina.

Ukoliko je po stjenkama pukotina došlo do jačeg površinskog trošenja, određivanje relativne starosti među pukotinama je u pravilu vrlo problematično. Ipak, pri toj odredbi vrijede sljedeća pravila:


pukotina.

Raspored pukotina prema drugim, kogenetskim deformacijskim strukturama

(rasjedima i borama)


(rasjedima i borama)

Peraste pukotine (engl. pinnate or feather fractures): čini set ešaloniranih, vlačnih pukotina nastalih uz rasjedne plohe.


Peraste pukotine formirane pod kutom u odnosu na rasjed (iz Roberts, 1989).

Veličina oštrog kuta između perastih pukotina i rasjedne plohe najčešće je 45°. Pri tom važi da smjer zatvaranja ovog oštrog kuta odgovara i smjeru pomaka rasjednog krila u kojem promatramo taj kut.


Ešalonirane vlačne žile (engl. en echelon gash veins): nastaju unutar smičnih zona koje obilježava krto–plastična deformacija(engl. brittle-ductile shear zones). Prema obliku i orijentaciji ovih žila može se pouzdano odrediti smjer smicanja na rubovima smične zone u kojoj su nastale žile.


Ešalonirane vlačne žile u grauvaki ispunjene kvarcom (Cornwall, UK; iz Ramsay & Huber, 1987).

Ponekad ove žile imaju sigmoidalan oblik (tzv. sigmoidalne ešalonirane vlačne žile) koji je rezultat istovremenog rasta i rotacije pukotina

tijekom progresivne deformacije.


Sigmoidalne, ešalonirane vlačne žile u grauvaki ispunjene kvarcom(Cornwall, UK; iz Ramsay & Huber, 1988).

Postanak sigmoidalnih, ešaloniranih vlačnih žila:

http://www.holcombe.net.au/rod/

prema animaciji Rod Holcomba


početak formiranja vlačnih žila


produljenje (rast) vlačnih žila prema rubu smične zone istovremeno uz rotaciju središnjeg dijela žile


daljnje produljenje (rast) vlačnih žila prema rubu smične zone istovremeno uz rotaciju središnjeg dijela žile


zbog nemogućnosti daljnjeg produljenja (rasta) vlačnih žila preko ruba smične zone i njihovog nepovoljnog položaja prema osi najvećeg izduženja (os X), daljnja deformacija u stijeni provodi se rastom novog seta vlačnih žila orijentiranim pod kutom od 45° u odnosu na rubove smične zone


Sigmoidalne, ešalonirane vlačne žile Z-tipa: nastaju u smičnim krto-plastičnim zonama s desnim pomakom


Sigmoidalne, ešalonirane vlačne žile S-tipa: nastaju u smičnim krto-plastičnim zonama s lijevim pomakom


Pukotine u boranim stijenama

(prema Ramsay & Huber, 1988).


Pukotine u boranim stijenama

“Klasično” označavanje pukotina u bori prema njihovoj orijentaciji u odnosu na referentni koordinatni sustav a, b, c, kod kojeg osi


a, b, c, kod kojeg osia i b leže u ravnini slojevitosti, prva okomito na os bore, druga paralelno osi bore, dok je os cuvijek okomita na slojevitost .


AB

C

DE

Raspored i orijentacija pukotina u borama prema Twiss & Moores (1992).


Interpretacija rasporeda i orijentacije pukotina u borama prema orijentaciji glavnih osi naprezanja (prema Twiss & Moores, 1992)


Lokalna promjena orijentacije glavnih osi naprezanja tijekom boranja (iz Twiss & Moores, 1992)

prije boranja


tijekom boranja

IZVORI SLIKA, TABLICA I CRTEŽA:

• Acocella, V., Gudmundsson, A. & Funiciello, R. (2000): Interaction and linkage of extension fractures and normal faults: examples from the rift zone of Iceland.- Journal of Structural Geology, 22, 9, 1233-1246.

• Davis, G.H. & Reynolds, S.J. (1996): Structural Geology of Rocsk and Regions.-John Wiley & Sons, Inc., New York, 776 str.

• DeGraff, J.M. & Aydin, A. (1987): Surface morphology of columnar joints and its significance to mechanics and direction of joint growth.- Geological Society of America, 99, 605-617.


• Eyal, Y., Gross, M.R., Engelder, T. & Becker, A. (2001): Joint development during fluctuation of the regional stress field in southern Israel.- Journal of Structural Geology, 23, 2/3, 279-296.

• Gillespie, P.A., Walsh, J.J., Watterson, J., Bonson, C.G. & Manzocchi, T. (2001): Scaling relationships of joint and vein arrays from The Burren, Co. Clare, Ireland.- Journal of Structural Geology, 23, 2/3, 183-201.

• McConaughy, D.T., & Engelder, T. (2001): Joint initiation in bedded clastic rocks.- Journal of Structural Geology, 23, 2/3, 203-221.

IZVORI SLIKA, TABLICA I CRTEŽA:

• Ramsay, J.G. & Huber, M.I. (1987): The techniques of modern structural geology, Vol. 1, Strain Analysis.- Academic Press, Oxford, 307 str.

• Ramsay, J.G. & Huber, M.I. (1987): The techniques of modern structural geology, Vol. 2, Folds and fractures.- Academic Press, Oxford, 309-700 str.

• Roberts, J.L. (1989): The Macmillian Field Guide to Geological Structures.-The Macmillian Press Ltd., London, 250 str.

• Rawnsley, K.D., Peacock, D.C.P., Rives, T. & Petit, J-P. (1998): Joints in the Mesozoic sediments around the Bristol Channel Basin.- Journal of Structural


Mesozoic sediments around the Bristol Channel Basin.- Journal of Structural Geology, 20/12, 1641-1661

• Tomljenović, B. (2002): Strukturne značajke Medvednice i Samoborskog gorja.- Disertacija, Sveučilište u Zagrebu, 208. str.

• Twiss, R.J. & Moores, E.M. (1992): Structural geology.- W.H. Freeman & Co., New York, 532. str.

strukturna geologijargn.hr/~bruntom/nids_bruntom/pdf strukturna geologija/04... · 2013. 5. 14. ·...

Documents