Verwerfung (Geologie)

Begriff und Entstehung

Eine Verwerfung, auch Sprung, Verschiebung oder Störung im engeren Sinn, ist eine tektonische Zerreiß- oder Bruchstelle im Gestein. An ihr sind zwei Gesteinsbereiche der Erdkruste gegeneinander versetzt, und zwar über Strecken vom Zentimeterbereich bis zu einigen Dutzend bis hundert Kilometern. Diese Bereiche heißen Bruchflügel, Blöcke oder Schollen. Der Versatz wird als Sprunghöhe oder Sprungweite bezeichnet. Verwerfungen sind Ergebnisse bruchhafter, nicht plastischer Verformung; die dazugehörige Tektonik heißt Bruchtektonik. Sie entstehen deshalb im obersten, noch relativ kühlen Bereich der Erdkruste, wo Gestein bei genügend großer Krafteinwirkung spröde bricht. Die Schnittlinie mit Geländeoberfläche oder anstehendem Gestein heißt Störungs-, Bruch- oder Verwerfungslinie.

Verwerfungen sind eng begrenzte Scherzonen: Bereiche, in denen sich einwirkende Kräfte konzentrieren und in Bewegung umsetzen. Häufige Ursachen sind horizontale Druck- oder Zugkräfte, oft im Zusammenhang mit Plattentektonik und teils über Hunderte oder Tausende Kilometer wirksam. Auch Magmatismus, Halokinese im Deckgebirge oder Einschläge kosmischer Objekte können Verwerfungen auslösen.

Merkmale, Versatz und Erdbeben

Die Bewegungsbahn kann eine deutliche Störungs- oder Verwerfungsfläche bilden. Reibung erzeugt dort glatte bis spiegelglatt polierte Flächen mit Bewegungsrillen, die Harnische heißen. Das Gestein kann aber auch zu tektonischen Brekzien zertrümmert oder zu Gesteinsmehl zerrieben sein, etwa Kakirit oder Kataklasit. Dann liegt statt einer einzelnen Fläche eine Störzone vor.

Störzonen besitzen deutlich geringere Festigkeit als das Nebengestein. Das kann Tunnelvortrieb erleichtern, erhöht aber die Gefahr von Niederbrüchen; beim Bau des Gotthard-Basistunnels verursachte ein Niederbruch in einer Störzone der Weströhre erhebliche Verzögerungen. Bei geschichteten Sedimentgesteinen kann sich die Schichtung nahe der Verwerfungsfläche verbiegen, wenn die Bewegung quer zur Schichtung verlief. Diese Verbiegung heißt Schleppung. Harnische und Schleppungen helfen, den Bewegungssinn zu bestimmen.

Die Bewegung an Verwerfungen erfolgt meist episodisch statt kontinuierlich. Die nur Sekunden dauernden Bewegungen verursachen Erdbeben. Geometrie und Bewegungssinn beeinflussen den Herdprozess und die Abstrahlcharakteristik eines Bebens; bei verdeckten aktiven Verwerfungen lassen sie sich mit seismologischen Daten durch eine Herdflächenlösung ermitteln. Messbar sind die saigere Sprunghöhe oder der Verwurf als vertikaler Versatz, die Sprungweite als horizontaler Versatz und die flache Sprunghöhe als auf der Verwerfungsfläche erfolgter Gesamtversatz, also die Vektorensumme aus saigerer Sprunghöhe und Sprungweite.

Arten von Verwerfungen

Nach der Bewegungsrichtung gibt es Blattverschiebungen und Verwerfungen mit Bewegung in Fallrichtung. Blattverschiebungen, auch Transversal-, Horizontal- oder Seitenverschiebungen, entstehen durch Scherung in horizontaler Ebene und verlaufen meist an steil einfallenden Flächen. Abschiebungen entstehen durch Krustendehnung (Extensionstektonik); dabei bewegt sich die Hangendscholle relativ nach unten. Aufschiebungen entstehen durch Krustenstauchung oder -verkürzung (Kompressionstektonik); die Hangendscholle wird relativ nach oben bewegt. Überschiebungen entstehen ebenfalls durch Kompression, fallen aber mit weniger als 45° ein oder liegen teils horizontal. Deckenüberschiebungen gelten trotz möglicher spröder Verformung nicht als Verwerfungen im eigentlichen, bruchtektonischen Sinn.

Bei Verwerfungen mit vertikaler Komponente heißt die oberhalb der Verwerfungsfläche liegende Scholle Hangendes oder Hangendscholle, die andere Liegendes oder Liegendscholle. Wenn der genaue Charakter unbekannt ist, werden die relativ hoch liegende Scholle als Hoch- oder Horstscholle und die tief liegende als Tief- oder Grabenscholle bezeichnet. Reine Formen sind selten: Aufschiebung plus Blattverschiebung heißt transpressive, Abschiebung plus Blattverschiebung transtensive Störung.

Antithetische Verwerfungen fallen entgegen der Gesteinsschichtung ein, synthetische oder homothetische in dieselbe Richtung. Nach dem Streichen im Verhältnis zu Schichten oder Faltenachsen unterscheidet man Längs-, Quer- und Diagonalbrüche. Eine Deckelkluft ist die veraltete bergmännische Bezeichnung für eine flach einfallende Verwerfung ohne festgelegte Bewegungsrichtung oder Entstehung.

Aktivität und Verwerfungssysteme

Rezente Verwerfungen sind noch aktiv, weil das Spannungsregime weiter besteht und an der Störungsfläche schubweise Bewegung stattfindet. Fossile Verwerfungen sind inaktiv. Aktive Störungen liegen oft in jungen Faltengebirgen, deren Vorland oder aktiven Grabenbrüchen; entlang ihrer Störungssysteme können Erdbebenlinien mit gehäuften Beben auftreten. Die San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien ist zugleich Plattengrenze und hat deshalb nur im oberen Teil der Erdkruste Verwerfungscharakter. Alte Störungen können im heutigen Spannungsregime reaktiviert werden, etwa die Fränkische Linie und die Harznordrandverwerfung im Zuge der Alpenbildung. Unter dicht besiedelten Gebieten können aktive Verwerfungen mit Geotechnik sowie Geodäsie, etwa GPS und Nivellement, überwacht werden.

Mehrere nahe beieinander liegende, parallele und gleichsinnig einfallende Verwerfungen heißen Staffelbrüche. Gegensinnig einfallende Verwerfungen bilden Horste oder Gräben; verkippte Schollen zwischen parallelen gleichsinnigen Verwerfungen heißen Halbhorste oder Halbgräben. Solche Systeme können Dutzende bis hundert Kilometer breit und Hunderte bis Tausende Kilometer lang sein. Beispiele sind der Ostafrikanische Grabenbruch vom Tanganjikasee bis zum Toten Meer, die Mittelmeer-Mjösen-Zone von der Rhônemündung bis Oslo und die Basin-and-Range-Provinz im Westen der USA bis Nordwestmexiko. Das größte zusammenhängende Verwerfungssystem der Erde ist das der Mittelozeanischen Rücken. Hauptverwerfungen reichen oft tief in die kontinentale Lithosphäre und gehen dort in duktile Scherzonen über; ihr Charakter und Bewegungssinn können sich über Millionen Jahre mehrfach ändern.

Bedeutung für Landschaft, Wasser und Rohstoffe

Verwerfungen sind im Gelände oft verdeckt, weil Boden und Verwitterungsdecke sie überlagern und Erosion oder Sedimentation die ursprüngliche Sprunghöhe abschwächen. Unterschiedlich verwitterungsresistente Gesteine auf benachbarten Schollen können jedoch Geländestufen verursachen. Eine topographisch höhere Scholle muss nicht tektonisch höher liegen, weil widerständiges Gestein der tatsächlich höheren Scholle bereits erodiert sein kann; dies heißt Reliefumkehr. Zerrüttetes Gestein an Verwerfungen wird leichter erodiert, und Oberflächenwasser kann dort leichter eindringen und Verwitterung fördern. Daher folgen Geländeeinschnitte in humiden Hochgebieten oft Verwerfungslinien, beispielsweise Längstalfurchen junger Faltengebirge.

Eine Verwerfungsquelle ist eine Sonderform artesischer Quellen. Sie entsteht, wenn eine wasserstauende Schicht, ein Aquiclud, einen Grundwasserleiter oder Aquifer an einer Verwerfung abriegeln und das Wasser bis zur Geländeoberfläche aufstauen lässt. Verwerfungen können außerdem Erdöl- und Erdgasfallen bilden: Begrenzung eines porösen, permeablen Gesteinskörpers durch geringporöses, impermeables Gestein erlaubt die Ansammlung von Kohlenwasserstoffen. Sie dienen ferner als Aufstiegsbahnen für Magma oder hydrothermale Lösungen. Magma kann Lava, Vulkane, Lakkolithe und erstarrte Gesteinsgänge bilden; aus Lösungen können Minerale ausfallen und bei genügend Erzmineralen wirtschaftlich abbaubare Ganglagerstätten entstehen.

Darstellung und Erkennung

In geologischen Karten werden Ausbisse von Verwerfungen meist als dicke schwarze oder rote Linien gezeichnet, Schichtkontakte dagegen dünner schwarz. Bei nahezu horizontalen Schichten zeigt das Alter der Gesteine den relativen vertikalen Bewegungssinn: Eine Scholle mit jüngerem anstehendem Gestein wurde gegenüber einer Scholle mit älterem Gestein abgesenkt. Kamm- oder rechenartige Linien stehen für Abschiebungen, Dreiecke für Auf- oder Überschiebungen; Zinken und Dreiecke zeigen zur Hangendscholle. Halbpfeile kennzeichnen Blattverschiebungen.

Auf Satellitenbildern lassen sich Verwerfungen als lineare Strukturen erkennen, besonders in vegetationsarmen Gebieten und bei unterschiedlichem Gestein oder auffälligem Relief beiderseits der Linie. Ein Beispiel ist die etwa 3 km große seitliche Versetzung von Höhenrücken an der sinistralen Piqiang-Störung in Westchina. Auch auf anderen Himmelskörpern gibt es ausgedehnte Störungssysteme: Auf dem Mond wurden Rillen (Rimae) und Rupes bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts von Hieronymus Schröter untersucht; der United States Geological Survey erstellte in den 1950er Jahren eine tektonische Karte mit mehreren 1000 Verwerfungen. Bekannte Systeme liegen außerdem auf dem Mars, etwa Valles Marineris, sowie auf Monden äußerer Gasriesen wie Europa.