H11_cursus PDF - Geologie, Academiejaar 2024-2025

HOOFDSTUK 11 DE VERVORMING VAN GESTEENTEN Noot vooraf: om dit hoofdstuk vlot en goed te doorgronden moeten de figuren uit het handboek en de bijhorende Powerpoint presentatie(s) ernaast gehouden worden (zie studiewijzer). 1. Hoe worden gesteenten vervormd? 1.1. De principes van gesteentevervormin...

HOOFDSTUK 11 DE VERVORMING VAN GESTEENTEN Noot vooraf: om dit hoofdstuk vlot en goed te doorgronden moeten de figuren uit het handboek en de bijhorende Powerpoint presentatie(s) ernaast gehouden worden (zie studiewijzer). 1. Hoe worden gesteenten vervormd? 1.1. De principes van gesteentevervorming. Wanneer gesteenten onder spanning (stress) komen te staan in de aardkorst (door begraving of tektoniek) reageren ze daar bij lage spanningen aanvankelijk op door elastisch te vervormen. Elastische vervorming is een tijdelijke vervorming die verdwijnt wanneer de oorzaak van de vervorming wordt weggenomen. Op atomaire schaal kunnen we zeggen dat de vervorming van de kristalroosters door de opgebouwde spanning na het wegnemen van de oorzaak van de vervorming terug ongedaan gemaakt wordt. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen drie spanningsregimes: compressie, rek en schuifspanning (shear) (M.fig.11.7). Wanneer echter bepaalde kritische spanningswaarden overschreden worden, zullen gesteenten permanent vervormen door te breken (faulting) of te plooien (folding). In de geologie spreekt men in dit kader respectievelijk van brosse vervorming en plastische vervorming. Plastisch wil algemeen zeggen dat er een blijvende vervorming optreedt zonder te breken (M.fig.11.6). De observatie van geplooide gesteenten (bv. M.fig.11.17) doet onmiddellijk de vraag rijzen naar de omstandigheden waarin harde gesteenten zoals kwartsietbanken of kalksteenbanken kunnen geplooid worden zonder daarbij te breken. Wanneer een gesteente in een eenvoudige drukpers gebracht wordt dan zal het gesteente initieel de steeds toenemende belasting kunnen opvangen maar uiteindelijk zal het gesteente bij een bepaalde kritische druk breken. Om gesteenten plastisch te vervormen, zoals dat kan vastgesteld worden in de kernen van plooien, moeten de vervormingomstandigheden dus anders geweest zijn dan in het voorbeeld van de eenvoudige drukpers. Het vervorminggedrag (elastische vervorming, breken en plooien) van gesteenten kan men experimenteel bepalen. Om de geologische vervorming van gesteenten in de diepte na te bootsen moet men dan rekening houden met de druk en temperatuur die met de diepte toenemen en met de lange duur, of het trage karakter, van geologische processen. Experimenten worden dan ook bij verschillende omgevingsdrukken, temperaturen, en vervormingtempo’s uitgevoerd op uiteenlopende soorten gesteenten. Onder dezelfde omstandigheden vervormen verschillende soorten gesteenten op een andere manier. Gesteenten die bij lage drukken en temperaturen ‘competent’ zijn, zoals bv. kwartsiet, kalksteen en graniet, breken gemakkelijk. Kleirijke gesteenten (schalies, leistenen) en evaporieten zijn typische voorbeelden van ‘niet-competente’ gesteenten die bij lage omgevingsdrukken en temperaturen al plastisch vervormen. Bij hogere drukken en temperaturen worden ook kalkstenen en marmers zeer plastisch. 1.2. De sterkte van de gesteenten in de diepte Op basis van de experimentele resultaten kunnen enkele algemene uitspraken gedaan worden over de sterkte van gesteenten in de ondergrond. Geologie / academiejaar 2024-2025 / 11.2 - Gesteentevervorming _______________________________________________________________________________________________________________ Met toenemende omgevingsdruk (diepte) neemt het gesteente in het elastische domein meer differentiële spanning op vooraleer te breken. Het gesteente wordt dus eerst sterker. Bij verder toenemende diepte wordt het gedrag echter plastisch, waarbij voor een relatief kleine spanningstoename de blijvende vervorming nu groot wordt. Door de toenemende temperatuur kan het gesteente ook steeds minder spanning opnemen, vooraleer het plastisch begint te vervormen; het gesteente wordt dus zwakker. De overgang van voornamelijk brosse naar plastische vervorming is al op zo’n 20 km diepte in de korst onder het continent waar te nemen (M.fig.11.30). Aan de grens met de mantel (de Moho) treedt nog een belangrijke verandering op in verband met de sterkte omdat het elastische, brosse en plastische gedrag ook sterk verandert naar gelang het gesteentetype. Omdat olivijn sterker is en dus meer spanning kan opnemen dan kwarts, vervormt de peridotiet in de top van de mantel minder plastisch of zelfs bros. Met toenemende diepte in het bovenste deel van de mantel neemt de plastische vervorming van het gesteente weer toe en door de steeds stijgende temperatuur en omgevingsdruk verliest het gesteente dieper in het lithosferische deel van de bovenmantel steeds meer sterkte. De overgang naar de asthenosfeer tenslotte is gekenmerkt door het verlies van bijna alle sterkte omdat daar partiële opsmelting plaatsvindt waardoor er nauwelijks spanning kan worden opgebouwd. Zelfs bij geringe spanningsopbouw treedt plastische vervorming op. Deze eenvoudige vervormingmogelijkheid is een essentieel element van het mechanisme van platentektoniek. De rigide lithosfeer drijft dus op de zeer plastische asthenosfeer (hoofdstuk inwendige aarde). Binnen het Departement Aard- en Omgevingswetenschappen wordt door de Geodynamics onderzoeksgroep van prof. Sintubin o.a. onderzoek gedaan naar de vervorming van gesteenten. 2. Breuken en diaklazen Breuken (faults) en diaklazen (joints) zijn fysische onderbrekingen in de continuïteit van de gesteenten (discontinuïteitsvlakken). Het onderscheid tussen beide is dat breuken gesteente- pakketten ten opzichte van elkaar verplaatsen - parallel aan het breukvlak - (M.fig.11.9-10) terwijl bij diaklazen de patronen van doorgaans haarfijne spleten de gesteenten niet zichtbaar verplaatsen ten opzichte van elkaar (M.fig.11.3,11.8). Andere discontinuïteitsvlakken die elders reeds besproken werden zijn druksplijtingsvlakken (hoofdstuk metamorfose) en laagvlakken (hoofdstuk sedimentaire gesteenten). 2.1. Diaklazen Diaklazen worden gevormd door rekspanning op het gesteente door drukontlasting (hoofdstuk verwering). Ze vormen een regelmatig netwerk van vaak twee families van parallelle spleten die onderling loodrecht op elkaar staan en beide quasi loodrecht op sedimentaire laagvlakken (M.fig.11.8); op deze manier kan een (vooral sedimentair) gesteente in blokken worden opgedeeld die de dimensies hebben van de grootteorde van enkele dm³. Van deze eigenschap wordt handig gebruik gemaakt bij de aanwending van natuursteen als bouwsteen. De oorsprong van de diaklaasrichtingen heeft te maken met de eerdere vervorminggeschiedenis t.g.v. de spanningstoestand in de ondergrond en deze aan het aardoppervlak. Bovengenoemd diaklaassysteem met twee families loodrecht op elkaar, dwars op de gelaagdheid wordt gevormd tijdens begraving van sedimentaire gesteente, waarbij de grootste drukrichting verticaal gericht is. Het open komen van de diaklazen gebeurt pas bij de drukontlasting aan de oppervlakte die ontstaat door de erosie van de bovenliggende lagen.  Geologie / academiejaar 2024-2025 / 11.3 - Gesteentevervorming _______________________________________________________________________________________________________________ Breukvlakken en diaklazen zijn net als druksplijtingsvlakken op enkele tientallen meters diepte nog zodanig dichtgedrukt dat ze weinig waterindringing toelaten. Vooral competente gesteenten tonen aan de oppervlakte diaklaasnetwerken, die pas openbreken bij een geringe belastingsdruk van bovenliggende lagen. Diaklaasvlakken worden vaak gekenmerkt door een secundaire neerslag uit grondwater, zoals limoniet en calciet. De limoniet slaat neer door oxidatie van Fe-ionen, terwijl calciet neerslaat door het ontwijken van kooldioxide uit kalkhoudend grondwater (hoofdstuk verwering). Maatschappij: Zoals we bij de verwering van kalkstenen gezien hebben, ontstaan tal van oplossingsstructuren (instortingsgaten, grotten, e.d.) vaak preferentieel vanuit diaklaassystemen. Een goed inzicht in deze systemen (evenals van breuken) en rekening houden met potentiele geohazards is dan ook van groot belang bij de planning en uitvoering van grote en kleine infrastructurele werken. 2.2. Breuken De definitie van de breuken zoals ze hieronder gegeven wordt is gebaseerd op de relatieve beweging van de blokken ten opzichte van het breukvlak zelf waarlangs ze verschoven zijn (M.fig.11.9). Bij afschuivingbreuken (normal fault) is het gesteente boven de breuk (bovenblok) onder een steile hoek naar beneden geschoven t.o.v. het gesteente eronder (onderblok) (M.fig.11.9). Afschuivingbreuken ontstaan in een tektonisch regime van rek (M.fig.11.7). Slenken (grabens) zijn inzakkingstructuren die zo begrensd worden door afschuivingbreuken. Voorbeelden die al eerder aan bod kwamen: de Rijnslenk die zich uitstrekt over Duitsland en Nederland en zich voortzet in de Noordzeeslenk en Viking Graben onder de Noordzee. De Oost- Afrikaanse slenk (M.fig.4.18) duidt op een begin van het uiteenscheuren van Afrika (indien de ingezette rekbeweging zich zou doorzetten). In een slenksysteem kunnen meerdere afschuivingbreuken met tegengestelde hellingsrichting een opeenvolging van slenken en horsten (relatief hoge delen) karakteriseren. Deze zijn zowel op ontsluitingsschaal (M.fig.11.13) als op bekkenschaal te definiëren. Op grote schaal zijn halfgrabens met afschuivingbreuken in voornamelijk 1 richting algemener dan de klassieke symmetrische slenk-horst systemen. De grote afschuivingbreuken in slenksystemen (incl. de halfgrabens) zijn doorgaans ook niet vlak maar licht gekromd: listrische afschuivingbreuken. Dit fenomeen kan op kleine schaal ook waargenomen worden bij komvormige littekens van bepaalde types aardverschuivingen (zie ppt). In een compressief regime (M.fig.11.7) ontstaan opschuivingbreuken (reverse fault) en/of overschuivingbreuken (thrust fault) (M.fig.11.9-10). In beide gevallen is het bovenblok relatief naar boven geschoven. Het verschil is dat een overschuivingsbreuk zwakhellend is (max 30° t.o.v. horizontaal vlak) en een opschuivingbreuk steiler hellend. In een compressief tektonisch regime zorgen voornamelijk grootschalige overschuivingsbreuken samen met plooien voor de verkorting van de lagen en voor de verticale opeenstapeling van de gesteentepakketten (zogenaamde nappes of dekbladen) in gebergteketens (M.fig.11.21,11.24). De buitenrand van zulke gebergteketens wordt vaak gekenmerkt door zogenaamde fold and thrust belts (‘plooi-en-overschuivingsgordels’) waarbij overschuivingen gepaard gaan met karakteristieke verplooïngen. Brosse en plastische vervorming zijn dus ook geen totaal verschillende werelden, zeker niet bij de vervorming van sedimentaire gesteenten, waarvan de verschillende lagen een zeer verschillende competentie kunnen hebben. Experimentele tektoniek in een laboratorium kan deze structuren redelijk realistisch nabootsen. Geologie / academiejaar 2024-2025 / 11.4 - Gesteentevervorming _______________________________________________________________________________________________________________ Naast een bewegingscomponent in de hellingsrichting van het breukvlak (dip-slip fault, M.fig.11.9) kunnen breuken ook een horizontale of schuine schuifcomponent hebben. Een zuivere horizontale laterale beweging tussen twee gesteenteblokken is een verticale dwarse breuk (strike-slip fault) (M.fig.11.7,11.9). Diepe transversale breuken die lithosfeerplaten min of meer volledig en verticaal doorsnijden zijn de transformbreuken, bekend van MORs (hoofdstuk platentektoniek) en van de San Andreas breuk in Californië (M.fig.4.14). Afhankelijk van de condities bij het breken langs het breukvlak (druk, waterdruk, temperatuur, aard van het gesteente, …) kan het breukvlak zelf scherp afgelijnd zijn (M.fig.11.10), in brokstukken verbrijzeld (M.fig.11.11) of kunnen metamorfe plastische smeerzones gevormd worden (M.fig.8.19,11.12). 3. Plooien 3.1. De grootte van plooien Plooien ontstaan als een reactie van het gesteente op tektonische compressie. De golflengte van plooien kan variëren van mm tot vele km. Grote plooien zijn slechts uitzonderlijk in een ontsluiting in hun geheel te observeren en ze moeten daarom meestal gereconstrueerd worden uit fragmentarische terreinobservaties. Deze reconstructie van plooien gebeurt tijdens geologisch karteren en het tekenen van geologische dwarsprofielen. 3.2. Geometrische beschrijving van plooien De basiselementen die toelaten de geometrie van een plooi te omschrijven zijn weergegeven in M.fig.11.14-15: - de oriëntatie van de twee plooiflanken (limbs) - de oriëntatie van de plooias (hinge line or fold axis), de lijn van de sterkste kromming - het assenvlak (axial plane) dat de plooiassen van de opeenvolgende lagen verbindt. Antiforme plooien zijn plooivormen met de convexe of bolle kant naar boven gericht zijn. Synforme plooien zijn, net andersom, met de convexe kant naar onder gericht. Indien de oudste gesteenten onderaan liggen en de jongste bovenaan, wat meestal het geval is, spreken we van anticlines en synclines Dit betekent dat als je een anticline doorsnijdt volgens een horizontaal vlak, zoals een erosievlak, je naar het centrum van de plooi toe de oudste lagen vindt, terwijl dat in het centrum van synclines de jongste lagen zijn. Dit is een zeer handig middel om op geologische kaarten te weten of de structuren synclines of anticlines voorstellen. In dwarsdoorsnede kunnen plooien symmetrisch of asymmetrisch zijn - een plooi is symmetrisch wanneer het assenvlak een spiegelvlak tussen de flanken is (M.fig.11.14), overhellend wanneer beide flanken in dezelfde richting hellen (M.fig.11.15) en liggend wanneer het assenvlak vrijwel horizontaal ligt. 3.3. Relatie tussen plooien en druksplijting Tijdens metamorfose worden kleimineralen in een kleirijk gesteente getransformeerd tot (grotere) mica's. Hierbij kristalliseren deze bladvormige mineralen in de richting van de minste weerstand, namelijk loodrecht op de grootste drukrichting (M.fig.11.18). Dit vormt de eerder besproken druksplijting (hoofdstuk metamorfose). De meest voorkomende druksplijting is de assenvlaksplijting, dus de splijting die parallel aan de assenvlakken van plooien gevormd wordt en die dus dwars op de hoofddrukrichting staat.