Duktile Verformung in einem geschlossenen System.

Die Dynamik unserer Erde zeigt sich in der Verformung der Lithosphäre. Studien über duktile Felsdeformation reichen vom Kristallgittermaßstab gesteinsbildender Minerale bis hin zum Gebirgsmaßstab. 1) Der mechanische Ansatz der Experimentalisten setzt unter gegebenen Randbedingungen Spannung in Bezug zu Verformung. 2) Der auf theoretischen Überlegungen beruhende geometrische/mechanische Ansatz wird häufig von Geländegeologen benutzt, um Partikelwanderpfade und duktile Deformation in natürlich verformten Gesteinen zu erklären. Alle für die Deformation relevanten Parameter werden üblicherweise für ein bestimmtes Volumen an Gestein betrachtet, die Wechselwirkung von aneinandergrenzenden Domänen unterschiedlicher Verformungsgeometrien wird selten behandelt. Dieses Projekt zielt gerade auf diese Wechselwirkungen hin. Eine grundlegende Annahme hierzu ist, daß die unterschiedlichen Bereiche nicht durch Diskontinuitätsflächen (Störungen) getrennt sind. Solche Situationen treten in der Natur häufig auf und sollen im weiteren als "geschlossenes System" bezeichnet werden. Theoretische Modellierungen zeigen, daß unterschiedliche Verformungsgeometrien in unterschiedlichen Verformungsraten resultieren. Mit anderen Worten, reine Scherung ist für die Akkumulation finiter Deformation effektiver als einfache Scherung, allgemeine Scherung, eine gleichzeitige Überlagerung beider Endglieder liegt in ihrer Effektivität dazwischen. Um Diskontinuitäten innerhalb eines geschlossen Systems zu vermeiden, muß die Größenänderung der Kontaktfläche zwischen zwei Bereichen gleich sein. Alle für die Verformung relevanten Parameter sind somit nicht mehr unabhängig voneinander und es gibt nur mehr eine beschränkte Anzahl an möglichen Verformungsgeometrien, um die Deformation in beiden Blöcken aufzunehmen. In der konsequenten Anwendung dieser Theorie eines geschlossenen Systems liegt ein enormes Potential zur Erklärung von Strukturassoziationen und Mikrostrukturen. Der praktische Zugang zu dem Problem umfaßt drei Punkte: 1) Die theoretische Modellierung eines geschlossenen Systems unter der Annahme unterschiedlicher Verformungsgeometrien. Die Auswirkung auf Verformungsraten, Differentialspannung und andere Parameter soll untersucht werden. Die geometrische Modellierung wird sich an die Arbeiten von Tikoff und Fossen (1993), Fossen und Tikoff ( 199,) und Tikoff und Teyssier (1994) anlehnen. Die kinematische Vortizität innerhalb eines geschlossenen Systems kann mit den Algorithmen von Tikoff und Fossen ( 1993), 1995) und Wallis (1992. 1995) modelliert werden. Die Beziehung zwischen Verformungsgeometrien und den Variablen die in die empirischen Fließgesetze eingehen kann. aufbauend auf die Arbeiten von Weijermars (1991 ) und Arbeiten die die Fließeigenschaften von Gesteinen zum Thema haben (z.B. Carter und Tsenn. 1987: Kohlstedt et al.. 1995; Wenk (ed.), 1985: Barber und Meredith (eds). 1990) behandelt werden. 2) Um die Ergebnisse der theoretischen Überlegungen zu testen. wurden zwei Geländebeispiele ausgewählt. Weil sehr viele Variablen zusammenspielen, ist eine einfache, gut erfaßte Geologie notwendig, Ein Geländebeispiel soll Variationen von Deformationsgeometrien (Vortizität) und ihren Bezug zu Deformationsmechanismen im Aufschlußmaßstab behandeln. Vielversprechende Ergebnisse liegen bereits von einer Voruntersuchung an einer Abschiebumg in einer granitischen Lithologie in der Arabischen Wüste Ägyptens vor (Bregar et al.. 1996). Wir planen eine Fortsetzung dieser Arbeit. Das zweite Geländebeispiel ist der Tektonik im Gebirgsmaßstab gewidmet. Aus mehreren Gründen haben wir eine große Überschiebung (main central thrust; MCT) im zentralen Himalaya ausgewählt, um die Beziehung der Überschiebung zu zeitgleichen Abschiebungen im Hangenden zu untersuchen. Es gibt von diesem Gebiet einen ausgezeichneten Datensatz. der die kinematische, thermische und chronologische Entwicklung dokumentiert. Zusätzlich wurde in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Grasemann (Wien) eine Voruntersuchung über kinematische Vortizität in dieser Deformationszone durchgeführt. 3) Es ist unsere feste Überzeugung, daß Grundlagenforschung nicht nur in wissenschaftlichen Zeitschriften publiziert werden sollte, sondern auch einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden muß. Wir planen eine Produktion einer interaktiven CD-ROM, die neben der Dokumentation der Geländearbeit auch eine audiovisuelle Computeranimation der entwickelten Modelle enthalten soll. Diese Arbeit soll in Zusammenarbeit mit der Firma Klaus Rüscher Videoproduktion erfolgen. Das beantragte Projekt soll in Zusammenarbeit mit Ch. Teyssier (University of Minnesota), B. Grasemann (Universität Wien) und K. Stüwe (University of Monash) durchgeführt werden. Ch. Teyssier würde seine Erfahrung in der geometrischen und kinematischen Modellierung einbringen. B. Grasemann würde mit seiner Erfahrung über die main central thrust zum Projekt beitragen und K. Stüwe würde sein Wissen über Spannungsvariationen in Deformationszonen und deren petrologische Relevanz einfließen lassen.

Der theoretische Aspekt von "duktiler Verformung in einem geschlossenen System" behandelt die Wechselbeziehungen von Verformung und Spannung bei kohärenter Deformation zwischen benachbarten Zonen unterschiedlicher Deformationsgeometrie. Es wird argumentiert, dass Verformung und Spannung im jeweiligen Gesteinsblock nicht unabhängig von der benachbarten Deformationszone betrachtet werden können. Diese bedingte Abhängigkeiten prägen dem Gesteinskörper Strukturen auf, die bei Nichtbeachtung einer "Closed System Deformation" zu widersprüchlichen Interpretationen führen können. Anhand einer Deformationszone mit variabler Verformungsgeometrie konnten diese theoretischen Überlegungen belegt werden. In einem kohärenten System mit Deformationszonen unterschiedlicher Scherkomponente bedingt eine höhere Scherkomponente auch eine erhöhte finite Verformung; somit auch eine erhöhte Verformungsrate. Die Erhöhung der Verformungsrate geht Hand in Hand mit einem Anstieg der Differential-spannung. Ist die Deformationsgeometrie, die Verformung und die Differentialspannung in einem Krustenblock bekannt, können ein einem benachbarten Krustenblock mit erhöhter Scherspannung Verformungsintensität und Spannungen prognostiziert werden. In einer lückenlos dokumentierten Deformationszone in Ägypten wurden die relevanten Daten ermittelt und mit dem theoretischen Model verglichen. Ein Abweichen der theoretischen Daten von denen, in dem natürlichen Beispiel ermittelten Werten wird durch progressive Änderung der Materialeigenschaften ("Strainhardening", "Strainweakening", Änderung des Stress Exponenten) erklärt. Im Maßstab eines Orogens (Himalaja) wird prognostiziert, dass Schertektonik entlang der Main Central Thrust Zone (MCTZ) die Abschiebung entlang der South Tibetan Detachment Zone (STDZ) zwangsläufig bedingen muss. Gelände und Labordaten stützen das Model von gleichzeitiger sich bedingender Deformation an beiden Zonen vor 13 Millionen Jahren (Ma). Ausgehend von theoretische Überlegungen wurde ein Querprofil über den Hohen Himalaja von der MCTZ über die STDZ bearbeitet. 40Ar/ 39Ar Altersdatierungen belegen, dass der orogene Keil des Hohen Himalaja vor etwa 13 Ma unter gleichzeitiger Aktivität von MCTZ und STDZ exhumiert wurde und unter etwa 400C abkühlte. Der zentrale Teil des Keils wurde aus größerer Tiefe extrudiert und zeigt dominante koachsiale Verformung. Dies steht im Einklang mit dem theoretischen Extrusionsmodel, das koachsiale Verformung zwischen zwei Zonen mit erhöhter Scherverformung fordert. Druck-Temperaturdaten zeigen für alle Bereiche des orogenen Keils Startbedingungen am Beginn der Extrusion von etwa 7 kbar und 600C, jedoch unterschiedliche Kühlpfade. Während randliche Bereiche des Himalaja Kristallins nahezu isothermal aufstiegen (Stabilität von Disthen) zeigt der zentrale Teil thermische Equilibrierung im Stabilitätsfeld von Sillimanit. Dies wird auf 3-dimensionale Kühleffekte, wobei Temperaturausgleich auch randlich, entlang der Hochdeformationszonen passierte, interpretiert. Während vor etwa 13 Ma Gesteine des Hohen Himalaja nur bis ins mittlere Krustenniveau exhumiert wurden erfolgte die letzte Platznahme und Kühlung der Gesteine unter 120C erst vor etwa 300.000 bis 1.400.000 Jahren. Spaltspurdatierungen an Zirkon und Apatit belegen jüngste tektonische Aktivität in Form von querschneidenden flachen Überschiebungsbahnen (Out-Of-Sequence Thrusts) in diesem Zeitraum. Deutliche Reliefbildung, verstärkte Erosion und die Bildung heißer Quellen sind mit diesem tektonischen Akt in Verbindung zu bringen.