PUKOTINE – morfološke & kinematske značajke i klasifikacija

STRUKTURNA GEOLOGIJA

1

PUKOTINE morfoloke &

kinematske znaajkei klasifikacija

Bruno Tomljenovi

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

2Strukturna geologijaB. Tomljenovi

Strukturna analiza pukotina u pravilu obuhvaa sljedee istraivake postupke:

Analizu rasporeda, orijentacije i uestalosti pukotina -definiranje setova, odnosno sustava pukotina

Analizu morfolokih znaajki na stjenkama pukotina i njihovu genetsku klasifikaciju


njihovu genetsku klasifikaciju Odreivanje relativne starosti meu pukotinama Definiranje odnosa rasporeda i orijentacije pukotina

prema kogenetskim strukturama (najee rasjedima i borama)

1. Analiza rasporeda, orijentacije i geometrijskih znaajki pukotina

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

Sistematine pukotine


Sistematine pukotine Nesistematine pukotine

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


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


Dio snimke oznaen zelenim kvadratom na prethodnom slajdu. Sustav pukotina u donjokarbonskim vapnencima ini vie setova sistematinih pukotina i sporadine, nesistematine pukotine.

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


Orijentaciju pukotine odreuju pruanje, 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 podruju Sheshymore na zapadnoj obali Irske (iz Gillespie et al., 2001). Orijentacija pukotina prikazana je projekcijom normala na donju polukuglu.

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


Orijentacija istih setova pukotina kao i na prethodnom slajdu (iz Gillespie et al., 2001). U ovom sluaju, meutim, orijentacija pukotina prikazana je pruanjem na rozeta dijagramu, pri emu smjer i kut nagiba pukotina ostaje nepoznat.

Takoer, pruanje pukotina moe se prikazati i pomou histograma pruanja.


Orijentacija istih setova pukotina kao i na prethodna dva slajda (iz Gillespie et al., 2001). U ovom sluaju orijentacija pukotina prikazana je histogramima pruanja, pri emu smjer i kut nagiba pukotina takoer ostaje nepoznat.

Usporedba prikaza orijentacije istih setova pukotina pomou stereograma i rozeta dijagrama


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

(odnosno uestalost pukotina) te - gustou pukotina,


- gustou pukotina,

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


Uestalost pukotina istog seta mogue je iskazati pomou prosjenog razmaka meu pukotinama toga seta, mjerenjem po pravcu okomito na pruanje seta.


Takoer, uestalost pukotina istog seta mogue je iskazati brojanjem pukotina toga seta unutar odreenog standardnog okvira promatranja (npr. unutar krunice, kvadrata i sl.).


Koritenjem ovakvog standardiziranog okvira opaanja mogue je iskazati i gustou pojedinog seta pukotina (p), kao omjer kumulativne duljine pukotina odgovarajueg seta (L) i povrine

kruga opaanja: p = L / r2

Pouzdanosti na ovaj nain prikupljenih parametara zavisi od broja i poloaja mjernih toaka. U pravilu nastojimo postii to je mogue vie mjernih toaka, pravilno rasporeenih u prostoru (mrea toaka opaanja).

Sistematine i nesistematine pukotine na


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

Raspored, uestalost i orijentacija pukotina ovise o mehanikim svojstvima stijena


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

U stijenama istog sastava, uestalost pukotina je u pravilu vea u tanjim slojevima, a manja u debljim slojevima.


Uestalost pukotina ovisna je i o litolokom sastavu, odnosno mehanikim svojstima stijena. Pukotine su dobro razvijene u krtim, kompetentnim stijenama, dok su u nekompetentnim manje uestale ili potpuno izostaju.


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

Zavreci pojedinanih pukotina po pruanju pokazuju karakteristinu geometriju pa se najee razlikuju:

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


C. granasti,D. preklapajui iE. ealonirani

zavreci

Prostorni raspored, relativna starost i karakteristini zavreci pukotina u turonskim karbonatima na jugu Izraela (iz Eyal et al., 2001). Legenda za oznake: 1-3 oznaava relativnu starost setova pukotina; e ealonirani


pukotina; e ealonirani zavreci pukotina; h preklapajui zavreci pukotina; t zakrivljeni zavreci pukotina; scj sistematine poprene pukotine; ncj nesistematine poprene pukotine;.

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


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

A. Poetni stadij bez preklapanja


B. Zreli stadij stadij preklapanja

C. Zavrni stadij stadij povezivanja

2. Analiza morfolokih znaajki na stijenkama pukotina i njihova genetska klasifikacija

Morfoloke znaajke na stjenkama pukotina, kao i tip mineralne ispune u prostoru izmeu stjenki, esto sadre informacije nune za pravilno tumaenje geneze pukotina i njihovog kinematskog razvoja. Meu morfolokim znaajkama posebno su znaajne:


Peraste strukture Agregati vlaknastih minerala u

pukotinama (ilama) ili na stjenkama pukotina

Stilolitski avovi Strije

1. Peraste struktureine nizovi milimetarskih grebena i brazdi koji se, idui od sredinje toke ili sredinje osi radijalno i preteito simetrino ire na stjenki pukotine prema njenim rubovima. Ovo je tipino morfoloko obiljeje na stjenkama vlanih ili tenzijskih pukotina.



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


Perasta struktura na stjenki vlane pukotine u gornjodevonskom pjeenjaku Ithaca formacije (Apalai, SAD; iz McConaughy & Engelder, 2001).

Idui od sredita prema rubovima pukotine, stjenka glavne pukotine je najee ralanjena u niz manjih, rubnih pukotina, koje na slojnim plohama pokazuju ealonirani raspored i dijagonalnu orijentaciju u odnosu na pruanje glavne pukotine.


Niz prateih pukotina u perastoj strukturi koje na slojnoj plohi pokazuju ealonirani raspored u odnosu na trag glavne pukotine - sloj pjeenjaka iz podruja Valais u zapadnoj vicarskoj (iz Ramsay & Huber, 1988).

Peraste strukture esto prati i koljkast lom to je takoer morfoloko obiljeje karakteristino za vlane pukotine.


Perasta struktura i koljkast lom na stienki vlane pukotine (kamenolom Grantshouse, Berwickshire, kotska; iz Roberts, 1989).

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


Perasta struktura na stjenkma vlanih pukotina u gornjodevonskom pjeenjaku Ithaca formacije na izdanku Montour Falls (Apalai, SAD; iz McConaughy & Engelder, 2001).

Pratimo li tragove grebena i brazdi u suprotnom smjeru, odnosno u smjeru njihove konvergencije, svi se stapaju u toki, odnosno u tokama koje oznaavaju mjesto odakle je zapoelo otvaranje vlane pukotine.


Na taj nain, analizom perastih struktura mogue je pouzdano rekonstruirati kinematske pokrete pri otvaranju i razvoju vlanih pukotina !!!

Simetrine i asimetrine peraste strukture na stienkama vlanih pukotina


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

2. Agregati minerala vlaknastog (fibroznog) habitusa u pukotinama


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

Agregati vlaknastih kristala (najee kvarca i kalcita) nastaju kristalizacijom minerala istovremeno s postupnim otvaranjem pukotina. Dakle, rast vlaknastih kristala istovremen je sa svakim pojedinim, vrlo malenim pomakom izmeu stjenki pukotina. Pri tom, vlaknasti kristali pokazuju karakteristinu 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 vlanoj pukotini u vapnencu (iz Ramsay & Huber, 1987).

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


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

Ramsay i Huber (1983, 1987) su analizom zakrivljenih vlaknastih kristala doli do zakljuka da je njihova orijentacija posljedica primarnog rasta kristala u razliitim smjerovima, a ne posljedica njihove naknadne deformacije (npr. boranja), jer bez obzira na razliitu orijentaciju pokazuju iste optike znaajke. Razliitu orijentaciju vlaknastih kristala objasnili su njihovim rastom paralelno s osi X elipse deformacije koja je mijenjala orijentaciju tijekom deformacijskog dogaaja.

Detalj zakrivljenih vlaknastih kristala kalcita pod ukrtenim nikolima


ukrtenim nikolima (iz Ramsay & Huber, 1987).

Na taj nain, analizom orijentacije vlaknastih kristala u tenzijskim pukotinama (ilama), mogue je precizno rekonstruirati pokrete i kinematsku evoluciju otvaranja ovih pukotina, pri emu vrijedi da:

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

Antitaksijalna ila u kvarcitu ispunjena vlaknastim


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

2. vlaknasti kristali rastu paralelno pravcu najveeg izduenja izmeu stjenki pukotina, pa su u sluaju jednosmjernog otvaranja pukotine gotovo idealno pravocrtni, dok su u sluaju progresivnog otvaranja pukotine uz promjenu smjera otvaranja zakrivljeni.


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

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

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

Sintaksijalne ile 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 sreditu;

(iz Ramsay & Huber, 1987)

Antitaksijalne ile koje su ispunjene vlaknastim kristalima razliitog mineralnog sastava od minerala na stjenkama pukotine, i koji su tijekom otvaranja



tijekom otvaranja pukotine rasli od sredita prema stjenkama pukotina.

kvarcit kvarcit

metakarbonat


metakarbonat

Primjer antitaksijalne ile u kvarcitu uloenom u metakarbonatu, ispunjene vlaknastim, pravocrtnim i zakrivljenim kristalima kalcita, koji ukazuju na progresivno otvaranje pukotine, pri emu je dolo do promjene smjera otvaranja (iz Tomljenovi, 2002).

3. Stilolitski avoviStijenke pukotina avoliko se stapaju jedna u drugu kao posljedica tlanog otapanja. Pri tom, vrhovi zubia na stilolitskom avu su orijentirani paralelno najduljoj osi elipsoida naprezanja (1). Ovo morfoloko obiljeje tipino je za tlane (kompresijske) pukotine.


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

Primjer tlanog otapanja ooida du stijenke tlane pukotine (crvena strelica). Istovremeno, naprezanje u stijeni je djelomino kompenzirano i krtim lomom i izduenjem ooida okomito na smjer naveeg naprezanja, uz formiranje pravocrtnih, vlaknastih kristala kalcita (plava strelica), parelelnih s osi X elipse deformacije.


4. Strije i stepeniasti agregati vlaknastih kristala

Mineralna ispuna izmeu stjenki pukotina koju ine 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 sminim


sminim pukotinama, koje, kad pomak premauje par cm, prelaze u rasjede.

(prema Ramsay & Huber, 1987)

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

Stepeniasti agregati vlaknastih kristala kacita na


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

Genetska klasifikacija pukotina

A. Endokinetike (primarne) pukotine


B. Egzokinetike (sekundarne, tektonske) pukotine

A. Endokinetike (primarne) pukotinenpr. pukotine luenja, desikacijske pukotine


Lijevo: Stubasto luenje u gornjomiocenskim bazaltima (Hegyest, Maarska).

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

B. Egzokinetike (sekundarne, tektonske) pukotine

1. Vlane (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. Vlane (tenzijske) pukotine:U idealnom sluaju ove su pukotine orijentirane okomito na najkrau os elipsoida naprezanja (os 3).


2. Tlane (kompresijske) ili stilolitske pukotine(engl. Stylolitic joints) su idealnom sluaju orijentirane okomito na najdulju os elipsoida naprezanja (1).


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


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

Smine pukotine esto se javljaju u formi konjugiranih parova, koje ine dvije, kinematski kompatibilne smine pukotine (ili dva kinematski kompatibilna seta sminih pukotina), pri emu vrijedi da:

srednja osi elipsoida naprezanja (2) je paralelna presjenici konjugiranog para sminih pukotina.

najdulja os elipsoida


najdulja os elipsoida naprezanja (1) predstavlja simetralu otrog kuta meu sminim pukotinama

Relativna starost meu pukotinama

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

U sluaju sminih pukotina, kao i kod rasjeda, vrijedi da mlae smine pukotine prekidaju i translatiraju dijelove starijih pukotina.

Ukoliko je po stjenkama pukotina dolo do jaeg povrinskog troenja, odreivanje relativne starosti meu pukotinama je u pravilu vrlo problematino. Ipak, pri toj odredbi vrijede sljedea pravila:


pukotina.

Raspored pukotina prema drugim, kogenetskim deformacijskim strukturama

(rasjedima i borama)


(rasjedima i borama)

Peraste pukotine (engl. pinnate or feather fractures): ini set ealoniranih, vlanih pukotina nastalih uz rasjedne plohe.


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

Veliina otrog kuta izmeu perastih pukotina i rasjedne plohe najee je 45. Pri tom vai da smjer zatvaranja ovog otrog kuta odgovara i smjeru pomaka rasjednog krila u kojem promatramo taj kut.


Ealonirane vlane ile (engl. en echelon gash veins): nastaju unutar sminih zona koje obiljeava krtoplastina deformacija(engl. brittle-ductile shear zones). Prema obliku i orijentaciji ovih ila moe se pouzdano odrediti smjer smicanja na rubovima smine zone u kojoj su nastale ile.


Ealonirane vlane ile u grauvaki ispunjene kvarcom (Cornwall, UK; iz Ramsay & Huber, 1987).

Ponekad ove ile imaju sigmoidalan oblik (tzv. sigmoidalne ealonirane vlane ile) koji je rezultat istovremenog rasta i rotacije pukotina

tijekom progresivne deformacije.


Sigmoidalne, ealonirane vlane ile u grauvaki ispunjene kvarcom(Cornwall, UK; iz Ramsay & Huber, 1988).

Postanak sigmoidalnih, ealoniranih vlanih ila:

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

prema animaciji Rod Holcomba


poetak formiranja vlanih ila


produljenje (rast) vlanih ila prema rubu smine zone istovremeno uz rotaciju sredinjeg dijela ile


daljnje produljenje (rast) vlanih ila prema rubu smine zone istovremeno uz rotaciju sredinjeg dijela ile


zbog nemogunosti daljnjeg produljenja (rasta) vlanih ila preko ruba smine zone i njihovog nepovoljnog poloaja prema osi najveeg izduenja (os X), daljnja deformacija u stijeni provodi se rastom novog seta vlanih ila orijentiranim pod kutom od 45 u odnosu na rubove smine zone


Sigmoidalne, ealonirane vlane ile Z-tipa: nastaju u sminim krto-plastinim zonama s desnim pomakom


Sigmoidalne, ealonirane vlane ile S-tipa: nastaju u sminim krto-plastinim zonama s lijevim pomakom


Pukotine u boranim stijenama

(prema Ramsay & Huber, 1988).


Pukotine u boranim stijenama

Klasino oznaavanje 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 lee u ravnini slojevitosti, prva okomito na os bore, druga paralelno osi bore, dok je os cuvijek okomita na slojevitost .


AB

CD

E

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 CRTEA:

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 CRTEA:

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

Tomljenovi, B. (2002): Strukturne znaajke Medvednice i Samoborskog gorja.- Disertacija, Sveuilite u Zagrebu, 208. str.

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

Documents

PUKOTINE – morfološke & kinematske značajke i klasifikacija