Zur Ursache der Entstehung oberflächenparalleler Klüfte

Zusammenfassung

Zur Ursache der Entstehung oberflächenparalleler Klüfte

Damit oberflächen- bzw. hangparallele Klüfte entstehen können, sind beträchtliche und dazu in den einzelnen Zonen unterschiedliche Verformungsbeträge notwendig. Das Maß der Gesteinsverformung auf Grund von Spannungsänderungen, die infolge allmählichen Abtrags und damit Entlastung bei einem Taleinschnitt von einigen Dekametern auftreten, ist — jedenfalls allen Spannungs-Dehnungsmessungen zufolge — für eine solche Auswirkung zu unbeträchtlich. Bei einem gesteinsmechanischen Untersuchungsprogramm an Kernproben aus der 6000 m tiefen Bohrung Münsterland 1 konntennach der Förderung an die Tagesoberfläche (Entlastung) keine weiteren Verformungen der Gesteine mehr festgestellt werden. Lediglich nahm die Bruchfestigkeit mit längerer Lagerzeit noch geringfügig ab, was aber auch auf Veränderungen der feinsten Wasserhüllen o. ä. zurückgeführt werden kann. Bei Proben aus größeren Teufen auftretende Entlastungsklüfte, durch welche Bohrkerne längsgeteilt an die Tagesoberfläche kamen, konnten mit Verformungsanisotropie erklärt werden, die an diesen Proben festgestellt wurden. Endlich aber bewiesen Verformungsmessungen bei schwellenden Belastungen, daß selbst nach einigen zehntausend Lastwechseln noch gleichzeitig mit der Spannungsänderung auch die Verformung einhergeht. Danach besteht z. B. bei Taleinschnitten kein Anlaß, anzunehmen, der Fels würde dort gelegentlich mit der Reaktion warten, bis ein größerer Abtrag erfolgt ist.

Bei verschiedenen Gesteinen (Mergelkalkstein, Kalkstein, Sandstein, Tonstein, Granit und Basalt) wurde der Verformungsverlauf sowohl bei Temperaturänderung zwischen −20° und +80°C bei Normaldruck als auch bei Druckaufbringung zwischen 0 und 1800 kp/cm² bei Zimmertemperatur experimentell bestimmt. Die Verformungen infolge Temperaturänderungen sind beträchtlich. Ein Vergleich mit denen aus Entlastung zeigt, daß z. B. bei Granit, Kalkstein und Basalt eine Temperaturänderung um 100°C größere Verformungen nach sich zieht als 10000 m Gesteinsabtrag. Temperaturschwankungen im Tag-Nacht-Rhythmus oder im Jahresablauf sind selbst in unserem gemäßigten Klima noch beträchtlich und bedingen Verformungsbeträge, die auf Grund von Entlastung erst durch Abtrag von vielen Metern Überdeckung erreicht werden könnten. Dazu wiederholen sich diese Temperaturschwankungen ständig, wodurch — nach aufgezeigten Versuchsergebnissen — auch geringere Spannungen bereits zum Bruch führen. Die bei Talsperrenuntersuchungen im Rheinischen Schiefergebirge bis 30 m unter der Hochfläche festgestellte Auflockerungszone, deren untere Begrenzung horizontal verläuft und unter den Tälern nicht tiefer reicht — wie es bei Entspannung ja sein müßte —, kann als Folge der Temperaturerniedrigung während des Diluviums gedeutet werden. Für die Tektonik wird die Frage aufgeworfen, ob nicht eventuell sogar ein Kluftsystem bei der mit der Heraushebung eines Gebietes verbundenen Abkühlung entstehen kann.

Summary

Some Reflections on the Cause of the Formation of Joints Parallel to the Surface

For the origination of fissures parallel to the horizontal or inclined surface considerable strains are necessary, and that in varying degrees in the different zones. According to all measurements of stress-strain relations the rock deformation due to unloading by erosion and natural excavation of some decameters in a valley is far too small for such an effect. In a rock mechanical research program with samples from the boring Münsterland 1, which was 6000 meters deep, no further deformations could be detected after hauling the material to the surface (unloading). Only the failure strength of stored samples decreased slightly with time; this could have been due to small changes in the adsorbed water layers or similar effects. Samples from larger depths arrived at the surface axially dissected in two halves. This observation is explained with the anisotropic stress-strain relation of the material. Last not least deformation measurements during cyclic loading and unloading showed that even after ten thousands of repetitions stress and strain occur synchronously. Therefore no reason exists for an assumption that during excavation of valleys the deformation of the rock may be retarded until a larger unloading is reached.

For different rocks (marly limestone, limestone, claystone, granite and basalt) the strains have been measured due to temperature variations between −20 and +80 degrees centigrade under ambient pressure as well as due to variation of this ambient pressure from 0 to 1800 kp/cm² at room temperature. The deformations due to temperature changes are quite considerable. A comparison with those due to unloading shows that a change in temperature of 100 degrees brings about larger strains than the abrasion of 10000 m of rock. Even in our temperate zone temperature variations from day to night or during a year are rather large and result in strains which would correspond to an abrasion of several meters. Moreover by the continuous repetition of this straining fracture is reached with comparatively small stresses as indicated by test results.

The dissected zone observed during investigations for dam projects in the Rhein. Schiefergebirge reaches to a depth of up to 30 meters below the plateau; its lower boundary is horizontal not being deeper under the valleys as it should be if caused by unloading. This dissection can be explained as an effect of the drop in temperature during diluvial times. Concerning tectonics the question is raised if a system of joints can be produced by cooling connected with the uplift of a region.

Résumé

Sur l'origine des fissures parallèles à la surface du sol

L'apparition de fissures parallèles à la surface du sol exige des déformations considérables, et variant d'un point à un autre.

L'érosion d'une vallée, sur quelques dizaines de mètres, se traduit par des variations de contrainte, mais la valeur des déformations correspondantes est trop insignifiante, dans le cadre des relations entre les contraintes et les déformations.

Dans un programme de recherches de mécanique des roches portant sur les carottes du sondage Münsterland 1 de 6000 m de profondeur, on n'a pas constaté de déformation de la roche après l'extraction. Seule la résistance à la rupture diminue légèrement en fonction de la durée de stockage, ce qu'on peut justifier par des modifications de l'eau des pores. Les carottes extraites des profondeurs plus grandes arrivaient au jour partagées en long, ce qui peut s'expliquer par l'anisotropie de leur déformation. Enfin et surtout les mesures de déformation pendant les cycles de charge et décharge, même après 10000 cycles, montrent que la déformation reste fonction des variations de contrainte, et simultanée. D'aprés cela, il n'y a pas de raison pour que dans une vallée par exemple la roche attende une érosion importante pour réagir.

Pour différentes roches (calcaires marneux, calcaires, grès, argilites, granites, basaltes), les déformations ont été étudiées expérimentalement d'une part pour la pression atmosphérique entre −20° et +80°, d'autre part à la température ambiante sous des pressions de 0 à 1800 bars. Les déformations thermiques sont importantes. La comparaison avec les déformations mécaniques montre, par exemple pour du granite, du calcaire ou du basalte, qu'une variation de température de 100° produit des déformations plus grandes que l'enlèvement de 10000 m de roche. Les variations thermiques journalières ou annuelles sont importantes même sous notre climat tempéré et les déformations correspondantes peuvent être comparées à l'enlèvement de beaucoup de mètres de couverture. Comme ces variations se répètent régulièrement, et d'après les résultats d'essai déjà cités, même des contraintes modérées peuvent conduire à la rupture. Les reconnaissances de barrages dans le Massif schisteux Rhénan ont montré une zone désagrégée jusqu'à 30 m de profondeur, dont la limite est horizontale et ne s'approfondit pas sous les vallées comme ce serait le cas si la décharge en était la cause.

Ceci peut s'expliquer par le refroidissement du début du quaternaire. En tectonique la question se pose de savoir si un système de fissures peut se développer à cause du refroidissement lié au soulèvement d'une région.