Deformasi Batuan dan Rekahan

Definitions

• Stress - adalah gaya yang mengenai batuan (atau sesuatu yang lain)

• Strain– adalah perubahan dalam ukuran dan/atau bentuk dari suatu objek padat (solid object) sebagai reaksi terhadap stress.

http://tesla.jcu.edu.au/schools/earth/EA1001/Metamorphics/Deformation.html

Deformasi Batuan

- Dipengaruhi oleh differential stress (tegasan yang berbeda);

- stress tidak sama besarannya dalam semua arahnya;

- Tiga macam differential stress : • compressive stress - tubuh batuan menjadi tertekan

dan memendek

• tensional stress - tubuh batuan menjadi meregang dan terpisah

• shear stress - menyebabkan selip dan translasi

Stages of Deformation (Strain)

- Elastic Deformation merupakan suatu revesible strain, dimana strain akan hilang ketika stress dilepaskan. Elastic strain adalah linear. Suatu plot antara stress versus strain akan membentuk garis lurus.

Pada suatu benda, ada poin yang disebut sebagai yield point or elastic limit, dimana permanent deformation akan dipengaruhinya dan bentuk dan/atau ukuran asal tidak terjadi ketika stress menjadi hilang. - Ductile Deformation Merupakan suatu irreversible change pada bentuk dan/atau volume batuan yang terkena stress melebihi batas elastic limit. - Brittle Deformation (Fracture)

Ketika batas dari ductile deformation terlampaui, batuan akan retak dan stress akan hilang. Jelasnya, brittle deformation menyebabkan permanent change.

Gambar 1. Kurva stress-strain untuk batuan dalam kondisi pengujian. Ketika terkena stress, material mulanya mengalami elastic deformation. Jika stress dihentikan/dilepaskan pada tahapan ini, batuan akan kembali kepada kondisi semula. Pada point A, elastic limit tercapai, dan batuan mengalami ductile deformation. Batuan kemudian mengalami stress lebih, sehingga terbentuk permanent strain. Jika stress melampaui point B, sejumlah permanent strain terbentuk pada rentang OB'. Jika stress meningkat lagi, maka batuan akan menjadi retak-retak(rupture), sehingga brittle failure terjadi(point F).

Bentuk Penjelasan Gambar lainnya,

Strain - Elastic, Plastic, Brittle

Ductile vs Brittle Substances • Segera setelah elastic limit tercapai, penambahan stress pada

brittle substance akan menyebabkan permanent strain yang terjadi sebelum kekandasan batuan (failure) terjadi dan terbentuk rekahan batuan. Hal yang sama pada ductile substance, akan terbentuk ductile deformation sebelum mengalami kekandasan.

• Apakah batuan berada pada kondisi ductile atau brittle bergantung atas : - temperature, - the confining stress, - the strain rate, and - the material being deformed.

Setiap faktor diatas mempengaruhi bagaimana ductile deformation terjadi sebelum brittle failure terjadi.

• Temperature Zat yang lebih panas akan lebih ductile. Pada kerak bagian dalam, temperatur tinggi dan ductile processes menjadi dominan.

• Confining Stress Ini adalah suatu uniform stress(rather than a directional stress) disebabkan tekanan yang digunakan berasal dari lapisan diatasnya (overlying strata). High confining stress mengurangi pembentukan rekahan, dan mengurangi brittle properties in the rock. Confining stress pastinya lebih besar pada kerak bagian dalam dan sebagai alasan mengapa ductile processes terjadi.

• Time (Strain Rate) Untuk terjadinya ductile deformation, atoms harus membentuk pola penjajaran mineral untuk mengakomodasikan pertambahan stress, selanjutnya ikatan pola penjajaran akan retak sehingga terbentuk rekahan batuan. Difusi atom pada padatan berjalan lambat, maka diperlukan slow strain rate untuk terjadi ductile deformation. Contoh : “adonan kue”. Jika ditarik perlahan, maka gulungan adonan akan tertarik cukup panjang, tetapi jika disentak tiba-tiba adonan akan putus setengahnya. in half.

• Composition Beberapa mineral keras secara alami dan non-ductile, seperti quartz, olivine and garnet, sebaliknya minerals seperti micas, clays, calcite and gypsum adalah ductile. Batuan yang kaya air juga menjadi lebih ductile, ketika water berperan sebagai pelumas (lubricant), yang mengurangi friksi antar butiran; dan membantu difusi elemen. Mudstone yang kaya air akan jelas lebih ductile dibanding dengan quartz sandstone yang kering.

Tiga Tipe Stress, Dua Tipe Permanent Strain,

Enam Structure Dasar

Stress Deformation

Compressive Tensional Shearing

Crustal thinning Shear zones, Ductile Folding and stretching Mylonite zones

Brittle Reverse Faults Normal Fault Lateral Faults

Tipe Stress • Tension: Stress tegak lurus suatu bidang dengan

arah yang saling menjauh - Tarikan pada batuan - Membentuk special fractures yang disebut joint - Cenderung meningkatkan volume

• Compression: Stress tegak lurus suatu bidang dengan arah yang saling mendekat - Menekan batuan - Mengurangi volume

• Shear: Stress saling berpapasan/parallel terhadap suatu permukaan - Cenderung mengubah bentuk

Tiga Ilustrasi untuk Stress

Stress - Compression, Tension, Shear

Heterogeneous or Inhomogeneous strain

• Cenderung membuat bentuk kompleks ubahan (distorted)

Joints = Fractures

• Kekar (fractures) :

- fractus = broken - Bidang pada mineral dan batuan yang

retak - kekar dibedakan berdasarkan “relative motion” yang terjadi pada bidang kekar selama pembentukan – Kekar tarik (extension joint) tegak lurus terhadap σ3 (parallel terhadap σ1σ2 plane)

- Bukaan kekar meretak tegak lurus terhadap bidang kekar

Fracture & stress states

Brittle Deformation • Perubahan permanen pada batuan oleh rekahan atau adanya

pergeseran terhadap rekahan. • Fracture : Suatu ketidakmenerusan karena kehilangan kohesi (Co) • Istilah rekahan meliputi tiga tipe ketidakmenerusan : – Extension fracture (type I) • Pergerakan relatif relative tegak lurus terhadap

permukaan rekahan

- Shear fracture (type II & III) • Pergerakan relatif yang paralel terhadap permukaan

rekahan - Oblique extension (hybrid) fracture • Pergerakan relatif menyerong terhadap permukaan rekahan

Modes of crack surface displacement

Extension fracture = mode I fracture

Relative motion : tegak lurus terhadap fracture walls

Disebut juga : Mode I - Tensile (Opening) Mode

Shear fractures Relative motion : parallel terhadap bidang

Mode II Shear Fracture

Motion : sliding motion tegak lurus terhadap tepi kekar

Disebut juga : Mode II - Sliding Mode

Mode III Shear fracture

Motion : sliding motion parallel terhadap tepi kekar

Disebit juga : Mode III - Tearing Mode

Klasifikasi rekahan menurut “Fracture Mechanics”

Tensile Dip-slip Strike-slip fractures faulting faulting

crack tip

I. Motion perpendicular to plane II. Parallel to plane but perpendicular to intersection line III. Parallel to plane and intersection line

Joints: Rekahan dengan tanpa pergeseran,

Dipengaruhi oleh tensile stress

Multiple sets of joints

joint surfaces

Sheet-like joints in plutons due to cooling.

Veins

• Veins merupakan kekar terbuka (extension fractures) yang terisi oleh mineral deposits (mineral sekunder)

• Endapan dapat masif atau terdiri dari fibrous crystal grains seperti quartz atau calcite • fibrous fillings berguna untuk interpretasi deformasi erkait dengan bukaan vein

Vein = Kekar terisi mineral

Fracture set and system

• Fracture set: Suatu kelompok rekahan dengan orientasi dan susunan yang sama

• Systematic joints: Permukaan rekahan dengan orientasi paralel dan jarak antar rekahan beraturan (regular spacing) (vs. non-systematic joints) • Fracture system: Dua atau lebih kelompok rekahan yang mempengaruhi volume batuan yang sama

Sheet (exfoliation) joints

• Paralel terhadap topografi

• Dapat terbentuk pada banyak batuan, tetapi umumnya pada batuan plutonik yang tersingkap dipermukaan

From Engelder, 1993

Joint sets Sejumlah rekahan berdekatan dengan geometri dan orientasi yang sama.

Joint systems Terdiri dari dua atau lebih joint sets.

Geologic Structures

Joints - tensional, compressional, sets

• Fractures associated with Folds

Relationship of fractures to other structures

A(t.r •Tite (11th)

£1ter srlt• (1%))

Batuan sedimen dapat mengalami empat kelompok rekahan (fracture sets) (Stearns, 1968)

• Setiap kelompok kekar terdiri dari tiga rekahan (fractures) :

- satu extension fracture dan conjugate shear fractures

- Conjugate shears membentuk sudut lancip (acute angle) antara shears faces σ1

– Pola extension fractures dapat : • cross joint

(i.e. Kelompok joints tegak lurus terhadap sumbu lipatan (fold axis)

• strike joint (i.e. Kelompok joints parallel terhadap sumbu lipatan)

Fractures associated with Faults

Faults and joints

Dikes

• Pikirkan bahwa volcanic dikes sama dengan extension fractures

• Volcanic dikes di Aleutian Peninsula of Alaska, parallel dengan arah subduksi dari Pacific Plate yang menyusup dibawah North America

• Catatan bahwa arah dari orientasi maximum principal stress pada lithosphere adalah paralel terhadap arah subduksi

Dikes in Alaska

Akhir Perkuliahan ke-4