Trockenriss (Sediment)

Trockenrisse im ausgetrockneten Würmsee
Trockenrisse im Edersee bei Niedrigwasser

Trockenrisse sind Sedimentstrukturen, die sich bilden, wenn schlammiges Sediment trocknet und sich zusammenzieht.[1][2] Eine ähnliche Rissbildung tritt auch in tonhaltigen Böden als Folge einer Verringerung des Wassergehalts auf.

Bildung und Unterschied zu Synärese-Rissen

Natürliche Trockenrisse entstehen, wenn nasses, schlammiges Sediment austrocknet und dabei durch den Wasserverlust an Volumen verliert. An und unmittelbar unter der Oberfläche des Sedimentes entsteht eine Dehnungsspannung, weil dort der Volumenverlust am größten ist, während das Material darunter langsamer schrumpft. Wenn diese Dehnungspannung einen kritischen Wert überschreitet, entstehen in der Sedimentoberfläche Spannungsrisse. Diese anfangs noch isolierten Risse werden größer und länger und verbinden sich zu einem polygonalen Netzwerk.

Synärese-Risse sehen ähnlich aus, bilden sich aber unter Wasserbedeckung durch Schrumpfung von schlammigem Sediment aufgrund von unterschiedlichem Salzgehalt oder unterschiedlichen chemischen Bedingungen im Porenwasser des Sediments und in der Wassersäule.[1] Synärese-Risse unterscheiden sich von Trockenrissen, indem sie in der Regel kein zusammenhängendes Netzwerk bilden, sinusförmig gewunden und dreistrahlig oder spindelförmig sind.[3]

Schrumpfungsrisse entstehen auch in gefrorenen Böden. In erstarrenden Lavaströmen entstehen Schrumpfungsklüfte („Basaltsäulen“), ebenso in magmatischen Dykes und Sills.[4] Schrumpfungsklüfte in magmatischen Gesteinen sind jedoch nicht das Ergebnis eines Wasserverlustes, sondern eines abkühlungsbedingten Volumenschwundes (vgl. Ausdehnungskoeffizient).

Bei Experimenten an industriell aufbereitetem, Montmorillonit-reichem Ton wurde unter Laborbedingungen festgestellt, dass die Geometrie der Trockenrisse davon abhängt, wie oft das Substrat eingetrocknet ist. Während bei einmaliger Eintrocknung ein rechtwinkliges Trockenrissmuster entstand, entwickelte sich im Lauf mehrerer Zyklen von Austrocknung und anschließender Wiederdurchfeuchtung eine sechseckige Geometrie mit Rissen, die in etwa 120° zueinander orientiert sind.[5]

In eingetrockneten Schlämmen am Grund von Absetzbecken für Tailings aus dem Uranbergbau sind Trockenrisse von mehreren Metern Tiefe beobachtet worden.[6]

Morphologie und Klassifizierung

Rissmuster in Ton, der der Luft ausgesetzt ist

Trockenrisse sind in der Aufsicht meist polygonal und im Querschnitt V-förmig. Das „V“ öffnet sich zur Oberseite der Schicht hin und verjüngt sich in Richtung der Unterseite.

John R. L. Allen schlug 1982 ein Klassifizierungsschema für Trockenrisse vor, das auf deren Vollständigkeit, Ausrichtung, Form und Art der Verfüllung basiert.[3]

Vollständigkeit

Von vollständigen Trockenrissen spricht man bei einem zusammenhängenden polygonalen Netzwerk. Dieses entsteht, wenn sich einzelne Risse zu einem größeren durchgehenden Riss zusammenschließen.[3]

Unvollständige Trockenrisse sind nicht miteinander verbunden, bilden sich aber dennoch in der gleichen Region oder an der gleichen Stelle wie die anderen Risse.[3]

Aufsichtgeometrie

  • Orthogonale Schnittpunkte können eine bevorzugte Ausrichtung haben oder zufällig sein:
    • Bei orientierten orthogonalen Rissen sind die Risse in der Regel vollständig, verbinden sich miteinander und bilden unregelmäßige polygonale Formen und oft Reihen von ihnen.
    • Bei zufällig ausgerichteten orthogonalen Rissen sind die Risse unvollständig und unorientiert, so dass sie sich nicht verbinden oder allgemeine Formen bilden. Obwohl sie keine allgemeinen Formen bilden, sind sie nicht perfekt geometrisch.[7]
  • Nicht-orthogonale Trockenrisse haben ein geometrisches Muster.
    • Bei unvollständigen nicht-orthogonalen Rissen bilden sie sich als eine einzelne Dreipunkt-Sternform, die aus drei Rissen zusammengesetzt ist. Sie können sich auch mit mehr als drei Rissen bilden, aber drei Risse werden im Allgemeinen als Minimum angesehen.
    • Bei abgeschlossenen nicht-orthogonalen Rissen bilden sie ein sehr geometrisches Muster. Das Muster ähnelt kleinen polygonal geformten Fliesen in einem sich wiederholenden Muster.[3]

Gewölbte Trockenrisse

Gewölbte Trockenrisse (Black Rock Creek Valley, nördlich von Black Rock, Leucite Hills, Wyoming, USA)

In einem der letzten Stadien der Austrocknung biegen sich die Ränder der Trockenrisse aufwärts. Dieses Phänomen tritt häufig an der Oberfläche von sehr fein geschichtetem Schlamm auf. Es zeigt sich, wenn die Austrocknung des Schlamms soweit fortgeschritten ist, dass sich die oberste der dünnen Schichten (Lamina) des Schlamms von den darunterliegenden ablöst. Die durch die Risse voneinander isolierten Schollen der obersten Schicht trocknen an ihrer Oberseite schneller aus als an ihrer Unterseite. Deshalb schrumpfen sie auch schneller an ihrer Oberseite, wodurch ihre Ränder aufwärts gezogen werden.[7] Wenn sie später von strömendem Wasser überspült werden, können die aufwärts gebogenen Partien leicht abgerissen, transportiert und an anderer Stelle, eingebettet in feinen Sand oder Silt, als Tongallen[8] wieder abgelagert werden.

Umweltbedingungen und Substrate

Natürlich vorkommende Trockenrisse bilden sich bei ausreichend trockener Witterung in vormals wassergesättigten Sedimenten von Schwemmebenen und ausgetrockneten Stillgewässern.[9] Das Muster der Trockenrisse kann überdies ein Indiz dafür sein, ob die Sedimentoberfläche direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt oder beschattet war: schnelles Austrocknen unter direkter Sonneneinstrahlung führt zu weitständigen, unregelmäßigen Trockenrissen, während engständigere, regelmäßigere Trockenrisse darauf hinweisen, dass sie in einer beschatteten Sedimentoberfläche entstanden sind.[10]

In der Technik

Polygonale Rissnetzwerke, die Trockenrissen ähneln, können sich in künstlich hergestellten Materialien wie Keramikglasuren (Krakelee), Farbfilmen und schlecht hergestelltem Beton bilden. Trockenriss-Musterung in kleineren Maßstäben kann auch bei der Untersuchung von technologischen Dünnschichten beobachtet werden,[11][12] die mit Hilfe von Mikro- und Nanotechnologien abgeschieden werden.[13]

Geologische Überlieferung

Fossile Trockenrissfüllungen (Netzleisten) an der Unterseite einer Sandsteinplatte (Tambacher Sandstein, Oberrotliegend, Bromacker)

Trockenrisse können erhalten sein:

  • als v-förmige Risse auf der Oberseite einer Schicht aus schlammigem Sediment; hier sehen die Risse so aus wie zur Zeit ihrer Bildung
  • als Abdrücke auf der Basis der darüber liegenden Schicht; hier sind die Risse mit jüngerem, darüber liegendem Sediment ausgefüllt.

In den meisten Beispielen am Grund des Gesteins sind die Risse der Teil, der am meisten herausragt. Bottom-of-Bed-Konservierung tritt auf, wenn Trockenrisse, die sich bereits gebildet haben und vollständig ausgetrocknet sind, mit frischem, nassem Sediment bedeckt und begraben werden. Durch Verschüttung und Druck wird das neue nasse Sediment weiter in die Risse gedrückt, wo es trocknet und aushärtet. Das schlammrissige Gestein ist dann später der Erosion ausgesetzt.[2] In diesen Fällen erodieren die ursprünglichen Trockenrisse schneller als das neuere Material, das die Räume füllt. Diese Art von Trockenrissen wird von Geologen verwendet, um die vertikale Ausrichtung von Gesteinsproben zu bestimmen, die durch Faltung oder Verwerfung verändert wurden.[14]

Trockenrisse können fossil in kontinentalen Sedimentgesteinen überliefert sein. An Unterseiten von Sandstein­platten oder -bänken kommen sie als Negativabgüsse in Form von Netzleisten vor, bisweilen zusammen mit Ausfüllungen von Trittsiegeln ausgestorbener Landwirbeltiere (Paradebeispiel: Chirotherium barthii in seiner Typuslokalität in Hildburghausen).

Wahrscheinlich fossile Trockenrisse auf dem Mars (Gale-Krater), die Breite des Bildausschnittes beträgt etwa 1,2 Meter

Am 31. Dezember 2016 nahm die MAHLI-Kamera des Mars-Rovers Curiosity ein Foto auf, das wahrscheinlich eine Schichtfläche mit rund 3 Milliarden Jahre alten Trockenrissen zeigt.[15] Auf dem Bild ist recht eindeutig ein Muster aus vollkommenen Rissen mit rechtwinkliger Geometrie erkennbar.

Galerie

Einzelnachweise

  1. a b J. A. Jackson: Glossary of Geology. 4th ed. American Geological Institute, Alexandria, VA 1997, S. 769.
  2. a b D. A. Stow: Sedimentary Rocks in the Field. Academic Press, London 2005, S. 320.
  3. a b c d e J.R.L. Allen: Sedimentary Structures: Their Character and Physical Basis. Volume 2 Elsevier, Oxford 1982, ISBN 0-444-41945-4, S. 593.
  4. Sam Boggs, Jr.: Principles of sedimentology and stratigraphy. ISBN 0-13-154728-3.
  5. Lucas Goehring, Rebecca Conroy, Asad Akhter, William J. Clegg, Alexander F. Routh: Evolution of mud-crack patterns during repeated drying cycles. Soft Matter. Band 6, Nr. 15, 2010, S. 3562–3567, doi:10.1039/B922206E (alternativer Volltextzugriff: ResearchGate).
  6. M. Schläger, Kh. Murtazaev, B. Rakhmatuloev, P. Zoriy, B. Heuel-Fabianek: Radon Exhalation of the Uranium Tailings Dump Digmai, Tajikistan. Radiation & Applications. Band 1, Nr. 3, 2016, S. 222–228, doi:10.21175/RadJ.2016.03.041 (Open Access).
  7. a b R. Linholm: A Practical Approach to Sedimentology. Allen and Unwin, London 1987, S. 276.
  8. F. J. Pettijohn, Paul Edwin Potter: Atlas and Glossary of Primary Sedimentary Structures. Springer Verlag, 1964, ISBN 3-642-94901-0, S. 290.
  9. John D. Collinson, David B. Thompson: Sedimentary structures. Unwin Hyman, London 1989, ISBN 0-04-445172-5.
  10. E. M. Kindle: Some Factors Affecting the Development of Mud-Cracks. In: The Journal of Geology. Band 25, Nr. 2, 1. Februar 1917, S. 135–144, doi:10.1086/622446, bibcode:1917JG.....25..135K (zenodo.org [PDF; abgerufen am 24. Januar 2021]).
  11. M. D. Thouless: Crack Spacing in Brittle Films on Elastic Substrates. In: Journal of the American Ceramic Society. Band 73, Nr. 7, 1990, S. 2144–2146, doi:10.1111/j.1151-2916.1990.tb05290.x.
  12. Z. Cedric Xia, John W. Hutchinson: Crack patterns in thin films. In: Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Band 48, Nr. 6, 1. Juni 2000, S. 1107–1131, doi:10.1016/S0022-5096(99)00081-2.
  13. Rian Seghir, Steve Arscott: Controlled mud-crack patterning and self-organized cracking of polydimethylsiloxane elastomer surfaces. In: Scientific Reports. Band 5, Nr. 1, 6. Oktober 2015, S. 14787, doi:10.1038/srep14787.
  14. Gerard V. Middleton (Hrsg.): Encyclopedia of sediments & sedimentary rocks. ISBN 978-1-4020-0872-6.
  15. Possible Mud Cracks Preserved in Martian Rock, abgerufen am 23. Januar 2021.

Weblinks

Commons: Mudcracks – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Auf dieser Seite verwendete Medien

Grand Canyon Supergroup Hakatai Shale 0002 - Flickr - Grand Canyon NPS.jpg

NPS Photo by: Carl Bowman

Hakatai Shale Thickness: 445-985 feet

This colorful formation contains layers of red sandstones, red shales, and blue to purple shales. As the sea level dropped, the environment slowly changed from a shallow sea to coastal mud flats. Mudcracks, raindrop impressions, and cross-beds are found in this layer.
Soil cracks00.jpg
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Clay cells with crack pattern on road near Random Harvest Nursery, Honeydew, Gauteng
Bromacker 01.JPG
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fossiler Abdruck von Trockenrissen mit Füllungen am Bromacker
Mudcracks mcr3.jpg
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Cross-sectional view of a dessication crack cast with fine-grained sandstone in the Mabou Group (Mississippian), near Antigonish, Nova Scotia.
Curled mudcracks (Black Rock Creek valley, just north of Black Rock, Leucite Hills, Wyoming, USA) 3.jpg
Autor/Urheber: James St. John, Lizenz: CC BY 2.0
Modern curled mudcracks in Wyoming, USA (13 July 2015).

Mudcracks are diagnostic sedimentary structures indicating subaerial exposure of sediment surfaces, with alternating wet & dry conditions. They are much more common that raindrop imprints, which indicate the same environmental setting. Mudcracks are most likely to occur in fine-grained siliciclastic sediments, fine-grained carbonate sediments, and in some evaporitic settings.

Mudcracks are distinctive and easy to identify, but they do vary in appearance. The cracks themselves vary in width, depth, and areal density. Mudcrack polygons also vary in size & shape. The upper crusts of the modern examples shown above have curled upward as they dried.

Locality: Black Rock Creek valley, just north of Black Rock, Leucite Hills, north-central Sweetwater County, southwestern Wyoming, USA
Carmel Formation mudcracks Jurassic.jpg
Autor/Urheber: Wilson44691, Lizenz: CC0
Mudcracks in the Carmel Formation (Middle Jurassic) near Gunlock, Utah.
Mudcracks roundtop hill MD.jpg
Mudcracks at Roundtop Hill, near Hancock, Maryland. Silurian, probably Wills Creek Formation. Photographed 2001.
PIA21261 - Possible Mud Cracks Preserved in Martian Rock.jpg
The network of cracks in this Martian rock slab called "Old Soaker" may have formed from the drying of a mud layer more than 3 billion years ago. The view spans about 4 feet (1.2 meters) left-to-right and combines three images taken by the Mars Hand Lens Imager (MAHLI) camera on the arm of NASA's Curiosity Mars rover.

Mud cracks would be evidence of a time when dry intervals interrupted wetter periods that supported lakes in the area. Curiosity has found evidence of ancient lakes in older, lower-lying rock layers and also in younger mudstone that is above Old Soaker.

MAHLI was positioned about 3 feet (90 centimeters) above the surface when it took the component images on Dec. 31, 2016, during the 1,566th Martian day, or sol, of Curiosity's work on Mars. This observation was planned as part of assessing a hypothesis that the target preserves evidence of drying mud. The location is within an exposure of Murray formation mudstone on lower Mount Sharp inside Gale Crater.

The slab bears a network of four- and five-sided polygons about half an inch to 1 inch (1 to 2 centimeters) across, which matches the pattern commonly formed when a thin layer of mud dries. Some edges of the polygons are ridges of material the same color as the surrounding rock. This could result from a three-step process after cracks form due to drying: Wind-blown sediments accumulate in the open cracks. Later, these sediments and the dried mud become rock under the pressure of multiple younger layers that accumulate on top of them. Most recently, after the overlying layers were eroded away by wind, the vein-filling material resists erosion better than the once-muddy material, so the pattern that began as cracks appears as ridges.

Note that some of the cracks contain material much brighter than the surrounding rock. These are mineral veins. Curiosity has found such bright veins of calcium sulfate in many rock layers the rover has investigated. These veins form from circulation of mineral-laden groundwater through underground cracks. Rover-team scientists suggest that a likely scenario for the history of Old Soaker is more than one generation of fracturing: mud cracks first, with sediment accumulating in them, then a later episode of underground fracturing and vein forming.

The target rock's name comes from the name of an island off the coast of Maine. The names informally assigned by the rover team to features in the area of lower Mount Sharp that includes this slab are from a list of islands, hills and other sites in or near Maine's Bar Harbor.

Malin Space Science Systems, San Diego, built and operates MAHLI. NASA's Jet Propulsion Laboratory, a division of the Caltech in Pasadena, California, manages the Mars Science Laboratory Project for the NASA Science Mission Directorate, Washington, and built the project's Curiosity rover. More information about Curiosity is online at http://www.nasa.gov/msl and http://mars.jpl.nasa.gov/msl/.

For more information about Curiosity, visit http://www.nasa.gov/msl and http://mars.jpl.nasa.gov/msl.
Edersee Schlickpflanzen.jpg
Pflanzen auf dem Grund des Edersees