Die Glarner Hauptüberschiebung
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Die Glarner Hauptüberschiebung Historische - wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Burgfeldweg 25 3006 Bern Matrikelnr.: 50-101-514 Bachelorarbeit im Fachbereich Erdwissenschaften der Universität Bern Bei Professor O. A. Pfiffner Bern, 22. April 2008 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1.1 Geographische Lage 1.2 Geologische Übersicht 1.3 Lithologie 3 4 4 2. Chronologische Profilreihe 2.1 A. Escher (1841) 2.2 A. Heim (1878/91) 2.3 A. Heim (1921) 3.4 J. Oberholzer (1933) 2.5 S. M. Schmid (1975) 2.6 O. A. Pfiffner (1993) 7 7 7 8 8 8 3. Forschungsgeschichte der Glarner Hauptüberschiebung 3.1 Hans-Conrad Escher von der Linth (1767-1823) 3.2 Arnold Escher (1807-1872) 3.3 Albert Heim (1849-1937): Doppelfalte 3.4 August Rothpletz (1853-1918) 3.5 Marcel Bertrand (1847-1907): Unbeachtetes Genie 3.6 Albert Heim (1849-1937): Selbstkorrektur 3.7 Jakob Oberholzer (1862-1965) 3.8 Kenneth Jinghwa Hsü 3.9 Stefan Schmid 3.10 O. Adrian Pfiffner 9 9 10 13 14 15 18 19 20 21 4. UNESCO Weltnaturerbe 24 5. Vorlage für einen Prospekt 26 6. Literaturverzeichnis 29 Titelbild: Glarner Hauptüberschiebung beim Martinsloch. Foto: Adrian Pfiffner 2/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 1. Einleitung An der Glarner Hauptüberschiebung wurden ältere Gesteinsschichten über jüngere überschoben. Die Verrucano Konglomerate aus dem Perm liegen auf eozänem Flysch. Dazwischen befindet sich ein geringmächtiges Band aus Lochseitenkalk. In meiner Bachelorarbeit behandle ich die historische- wissenschaftliche Perspektive der Glarner Hauptüberschiebung. 1.1 Geographische Lage Die Glarner Hauptüberschiebung ist im Grenzgebiet der Kantone Glarus, St.Gallen und Graubünden aufgeschlossen. Sie erstreckt sich über eine Distanz von 30 km in Ost-West Richtung und mehr als 20 km in Nord-Süd Richtung. An den Felswänden ist sie als messerscharfe, leicht zurückwitternde, gelbliche Linie zu sehen. An den südlichsten Aufschlüssen, zwischen Ilanz, Flims und Tamins, fällt die Überschiebungsfläche steil gegen Süd-Südosten ein. Gegen Norden nimmt der Einfallswinkel sukzessive ab und bildet auf der Höhe von Ringelspitz, Piz Sardona und Piz Vorab eine Kulmination. Nordnordwestlich des Scheitels taucht die Überschiebungsfläche zunächst nur leicht ab, wird dann steiler und erreicht an den nördlichsten Aufschlüssen an der Lochseite bei Schwanden einen Einfallswinkel von über 15 Grad. Walenstadt Sargans Glarus Schwanden Elm Linthal Flims Chur Ilanz = Ausbisslinie der Überschiebungsfläche Abb. 1: Geologische Karte des Gebietes der Glarner Hauptüberschiebung. 3/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 1.2 Geologische Übersicht Bei der Bildung der Alpen im frühen Miozän wurden die helvetischen Decken über mehr als 35 km in Richtung Nordnordwesten überschoben. Zu dieser Zeit war die Überschiebungsfläche leicht nach Süden geneigt. Erst später, durch die Hebung des Aarmassivs, wurde der gesamte Komplex gekippt. Die Überschiebung fand in einer Tiefe von ca. 16 km bei einem Druck von bis zu 5 kbar und Temperaturen um die 320 Grad Celsius statt. Sie dauerte bei einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Jahr mehrere Millionen Jahre. Der helvetische Deckenkomplex hatte eine Mächtigkeit von 3 km und erstreckt sich über eine Breite von 100 km und eine Länge von 50 km. Die unterhalb der Überschiebung liegenden mesozoischen Sedimente und der eozäne Flysch wurden auch verfaltet und zerbrochen, aber nicht über grössere Distanzen transportiert. Stetige Hebung der Kristallinmassive und Erosion der darüber liegenden Decken führten dazu, dass die Überschiebungsfläche heute aufgeschlossen ist. Meistens zerbrechen grosse Überschiebungsdecken wegen dem enormen Reibungswiderstand in kleinere Blöcke. Die Glarner Hauptüberschiebung ist in diesem Zusammenhang eine Ausnahme. Heute wird angenommen, dass die Decke aufgrund der Anwesenheit des Lochseitenkalks, welcher die Reibung verminderte, nicht zerbrochen ist. 1.3 Lithologie Eozäner Flysch Während dem Tertiär wurden im alpinen Vorlandbecken Flysche geschüttet. Flysch ist ein Sammelbegriff für die kilometermächtigen Schichtfolgen von bräunlichgrauen bis schwarzgrauen Brekzien, Kalksandsteinen, Kalksteinen, Quarziten und Ton- und Mergelschiefern. Bekannt sind die Engi-Dachschiefer, in welchen verschiedene Fossilien wie Skelette von Fischen und Meeresschildkröten und Spuren von wirbellosen Meerestieren gefunden wurden. Abgelagert wurden die Flysche im südlichen, tiefen Teil des Beckens. Infolge der sich nach Norden überschiebenden Decken traten Erdbeben auf, welche Turbidite auslösten. Dabei bildeten sich gradierte Abfolgen und wirbelförmige Strukturen aus. Am südlichen Rand des Beckens abgelagert, wurden sie bald von den heranrückenden Gesteinspaketen überfahren und in die Gebirgsbildung mit einbezogen. Lochseitenkalk Definition: Der Begriff Lochseitenkalk wird generell gebraucht für die Kalksteinschicht, mylonitisiert oder nicht, die an der Glarner Hauptüberschiebung den Verrucano vom Flysch trennt. Lochseiten Kalkmylonit bezieht sich nur auf entsprechende tektonische Situationen mit einer charakteristischen Lamination, entstanden durch dunkles, feinkörniges und helles, gröberes Karbonatmaterial, welche gewöhnlich wenige Millimeter dick ist. Solche Mylonite finden sich lokal auch an anderen Überschiebungen in den Helvetischen Decken. Der Lochseitenkalk zeigt sich als gelblich beige anwitterndes, weisslich graues, meist 1-2 m mächtiges Kalkband, welches von einer messerscharfen Linie durchzogen wird. Er weist eine 4/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 stark verfaltete Internstruktur auf, welche bereits von Heim als Knetstruktur bezeichnet wurde. Im Lochseitenkalk fand vermutlich die Hauptbewegung der Überschiebung statt, da diese Schicht aufgrund der damals herrschenden P-T-Bedingungen eine niedrige Viskosität aufwies. Die scharfe Linie zeugt von einer allerletzten, spröden Bewegung über eine kurze Distanz. Der genaue Ursprung des Lochseitenkalks ist immer noch Gegenstand aktueller Forschung. Eine Hypothese besagt, dass er teilweise erst während der Überschiebung aus kalkreichem Wasser auskristallisierte. Frühere Quellen (Schmid, 1975) nennen als möglichen Ursprung paraautochthone oder subhelvetische Kalksteinvorkommen. Verrucano Als Glarner Verrucano wird die stellenweise über 1,5 km mächtige Sedimentabfolge aus dem späten Karbon und dem Perm bezeichnet. Es handelt sich um Wüstensedimente, welche vor 250 bis 300 Millionen Jahren auf dem eingeebneten Aarmassiv in Becken abgelagert wurden. Sie sind die ältesten Sedimente in diesem Gebiet und bestehen an der Basis aus grobkörnigen, schlecht sortierten Konglomeraten und enthalten zum Teil auch vulkanisches Material. Gegen oben werden die Lagen feinkörniger. Die Farbe variiert mit der Lokalität: blassgrün bis lauchgrün am Ringelspitz und im Vorderrheintal, violettrot in Mels, blutrot im Murgtal und in den Flumserbergen oder gelblich-rötlich im Pizolgebiet. An der Lochseite ist der Verrucano violettrot und stellenweise hellgrün bis gelblich ausgebleicht und weiss bis gelblich angewittert. Er enthält grosse Geröllkomponenten, welche aus dunkelgrünem und dunkelbraunrotem vulkanischem Material, Quarz, Quarziten und aus rötlichen und grünlichen Quarzporphyren bestehen. Die grobkörnigen Verrucano-Konglomerate wurden früher oft auch als Sernifite bezeichnet. Mesozoische Sedimete Über dem Verrucano liegen Sedimente aus Trias, Jura und Kreide. In der Trias wurden die Melsersandsteine, die Rötidolomite und -rauhwacken sowie die Quartenschiefer und -quarzite abgelagert. Zur Zeit des Juras wurden in Küstennähe Ton und Mergelschiefer, sowie sandige und fossilhaltige Kalke abgelagert. Es entstanden ebenfalls feine, fossilleere Kalke mit Eisenlagerstätten (Gonzen) welche auf ein mehrere hundert Meter tiefes Meer hinweisen. In der Kreidezeit bildeten sich in Küstennähe (nördlicher Ablagerungsraum) Riffkalke, Mergelund Tonschiefer. Im Süden war das Meer tiefer und es wurden mächtige, mergeligere Formationen gebildet. Die ursprünglich unterhalb des Flyschs gelegenen mesozoischen Sedimente wurden bei der Alpenbildung zusammen mit dem Flysch überfahren und deformiert. So liegt nun direkt unter der Glarner Haptüberschiebungsfläche an den einen Orten Flysch, an andern mesozoischer Kalk. 5/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 Abb. 2: Die Einleitung ist zusammengefasst aus dem Dossier von Imper (2004). 6/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 2. Chronologische Profilreihe Folgende sechs Profile zeigen die Entwicklung der Interpretationen der geologischen Lagerungsverhältnisse in den Glarner Alpen von 1941 bis heute. Die Profile sind stark vereinfacht und teilweise schematisch gezeichnet. 2.1 A. Escher (1841) Legende zu den sechs Profilen Eozäner Flysch Mesozoische Kalke L Verrucano (Perm) Glarner Hauptüberschiebung Profil 1: Bereits 1841 bewies A. Escher, dass in den Glarner Alpen alter Verrucano auf dem viel jüngeren Flysch liegt. Profil an der Lochseite nach Escher. L=Lochseitenkalk. 2.2 Alb. Heim (1878/1891) NNW SSE Vorab Sernftal Schwanden Kärpfstock Ilanz Profil 2: Glarner Doppelfalte nach Heim. 2.3 Alb. Heim (1921) NNW SSE Kärpfstock Etzelstock Bützistöckli Kalkstöckli Hausstock Vorab Panix Linthal Profil 3: Nach allgemeiner Akzeptanz der Deckentheorie musste Heim seine Interpretationen ändern: Eine einzige von Süden her überschobene Falte statt einer Doppelfalte. 7/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 2.4 J. Oberholzer (1933) Kalkstöckli NNW Hausstock SSE Bützistöckli Panixer Alp Linthal Profil 4: Überschiebungsflächen nach Oberholzer: Er unterschied erstmals klar zwischen Glarner Decke (GL) und Mürtschenen Decke (MÜ). Der Untergrund ist nach ihm nun mehrheitlich von Brüchen geprägt. 2.5 S. M. Schmid (1975) SSE SSE Aar Massiv Profil 5: Schematisches Profil der Glarner Hauptüberschiebung nach Schmid (1975). PE=Penninische Decken, D=Drusberg-Säntis-Decke, A=Axen-Decke, M=Mürtschenen-Decke, G=Glarner Decke, S=Sardona-Flysch, B=Blattengrat-Flysch und allgemein Tertiär, N=Nordhelvetischer Flysch, SH=Subhelvetische Teile. 2.6 O. A. Pfiffner (1993) N S Walenstadt Ringelspitz Molasse Aar Massiv Profil 6: Profil durch die östlichen Schweizeralpen nach Pfiffner (1992). NHF=Nordhelvetischer Flysch, SH=Südhelvetische Einheiten, SF=Sardona-Flysch, PE=Penninische Decken. 8/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 3. Forschungsgeschichte der Glarner Hauptüberschiebung In den prachtvollen Alpen des Glarnerlandes haben Forscher in den letzten 200 Jahren durch Beschreibung und Interpretation der Glarner Hauptüberschiebung wichtige Erkenntnisse über die Gebirgsbildung gewonnen. 3.1 Hans-Conrad Escher von der Linth (1767-1823) Folgendes Kapitel ist zusammengefasst nach Imper (2004) und Nomination Dossier (2008). H.C. Escher war ein begabter Beobachter und Zeichner. Bereits 1807 erkannte er eine Anomalie: Die Grauwacke der Glarner Alpen (Verrucano) lag oberhalb des Alpenkalkes (Mesozoischer Kalk). Dies entsprach nicht der damaligen Theorie, welche besagte, dass Alpenkalk immer auf Grauwacke liegen müsse. Leopold von Buch, in dieser Zeit einflussreichster deutscher Geognostiker und Vertreter dieser Theorie, bestritt Eschers Beobachtungen trotz Besuch in den Glarner Alpen (1809): „Grauwacke gehört zu den Übergangsformationen und kann und darf nie auf Alpenkalk ruhen.“ Abb. 3: Aquarell (1812) von H. C. Escher. Glarner Hautüberschiebung beim Martinsloch. (Imper, 2004) 3.2 Arnold Escher (1807-1872) Dieses Kapitel ist zusammengefasst nach Escher (1841), Trümpy (1991, A), Imper (2004) und Nomination Dossier (2008). Hans-Conrad Eschers Sohn Arnold war der erste Professor für Geologie an der ETH Zürich. Durch Bestimmung des relativen Alters der Schichten anhand deren Fossilieninhalts bewies er 1841, dass in den Glarner Alpen älteres Gestein auf jüngerem liegt: „Während nun die Nummulitenbildung, zufolge den allgemein angenommenen paläontologischen Grundsätzen, der neusten Secundärperiode angehört und man demnach sehr geneigt sein muss, ihre Gegenwärtige Bedeckung durch ältere Gesteine als Folge einer colossalen Überschiebung oder eines Umbiegens der Schichten zu betrachten, so stösst auf der andern Seite eine solche Annahme doch auch auf sehr grosse Schwierigkeiten.“ (Escher, 1841) 1848 führte Escher einen der damals bedeutendsten Geologen, Roderick Impey Murchison, über den Pass dil Segnas. Murchison stimmte den Interpretationen Eschers zu und schrieb deutlich und überzeugt von „one enormous overthtust“: „I had … proof that the rocks underlying the solid limestone, with its cover of talc schist, were really of supercretaceous age, for we found both nummulites and the same teeth of fishes which characterize the flysch in many other tracts … I was convinced that M. Escher was correct in his delineations … But it became necessary to admit, that the strata had been inverted, not by frequent folds as on the sides of the lake of Altdorf or in the Hoher Sentis, but in one enormous overthrust.“ Murchison (1849) 9/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 Bereits 1841 haben Escher und Murchison in den Glarneralpen also eine grosse Überschiebung erkannt. Diese Auffassung der Situation führte jedoch zu grossen Problemen, Abb. 4: Profil an der Lochseite nach Escher. Rosa=Verrucano (Perm), Blau=Lochseitenkalk, Gelb=Eozäner Flysch. denn damals wurde geglaubt, die Gebirgsbildung und damit Faltung der Gesteinsschichten sei Folge der Kontraktion einer sich auskühlenden Erdkruste. Bei einer Überschiebung in der Grösse der Glarner Hauptüberschiebung hätte dies eine enorme, nicht nachvollziehbare Krustenverkürzung bedeutet. Aus Angst vor den Konsequenzen, die seine Beobachtungen implizierten, bekam Escher Zweifel: “Kein Mensch würde mir glauben, man hielte mich für einen Narren.“ Deshalb suchte er nach einer anderen Erklärung und fand diese in der Hypothese der Glarner Doppelfalte, welche er 1866 präsentierte: Zwei liegende Falten, eine südvergente Falte im Norden und eine nordvergente Falte im Süden, welche eine Mulde von Flysch einschliessen. Die Stirnen der beiden Falten würden einander in einer engen Lücke beim Richetlipass und Foopass, wo keine Gesteine erhalten sind, gegenüber liegen. 3.3 Albert Heim (1849-1937): Doppelfalte Der Inhalt des folgenden Kapitels stammt aus den Werken von Heim (1878), Heim (1891), Trümpy und Oberhauser (1999) und Imper (2004). Albert Heim, Schüler und Nachfolger von Escher, übernahm die Hypothese der Glarner Doppelfalte. Er hatte Escher auf mehrere Exkursionen in die Glarneralpen begleitet und später einige Orte noch alleine bereist. Seine eigenen Untersuchungen hätten mehr den Zweck gehabt, ihn zum vollständigen Verständnis der Escher’schen zu führen, bemerkte Heim 1878. Im Werk von 1878 schrieb er über die Schichtlagerungsverhältnisse des Gebietes: „Von Süden wie von Norden steigt der Verrucano aus normaler Lagerung gegen die bezeichnete Symmetrielinie empor, während die normale Decke der sekundären Kalkformationen mehr und mehr zerstört ist. In der mittleren Zone zwischen beiden Verrucanoplatten aber liegt in der Tiefe wiederum, was das höchste sein sollte, nämlich Eocen. Im Allgemeinen fällt das Eocen ziemlich steil südlich und steht discordant unter den Verrucanodecken. Die Symmetrielinie ist die verlängerte Linie des Zentralmassives.“ Die genannte Symmetrielinie verläuft vom Limmerenboden über Elm und den Foopass ins Calfaiserthal. Die oben beschriebenen Lagerungserscheinungen erklärt Heim durch die Doppelfalte: „Der Nordflügel der Doppelfalte ist eine südlich überliegende, der Südflügel eine nördlich überliegende Falte.“ Der nomal liegende Gewölbeschenkel der Nordfalte sei am Südufer des Walensees zu sehen, derjenige der Südfalte im Vorderrheintal. In der mittleren Zone, zwischen Eozän und überlagerndem Verrucano, befinden sich Kalkbänke, welche die umgekehrt liegenden Mittelschenkel repräsentieren sollen. Die Muldenschenkel beider Falten 10/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 würden sich in der Tiefe verbinden. Der Kern der beiden liegenden Mulden sei ausgefüllt von Eozänmasse, welche die Muldenschenkel fast ganz verdecke. Einzig auf der Südseite sei der gemeinsame Muldenschenkel an einigen Stellen aufgeschlossen. (Abb. 5 und Profil 2) Abb. 5: Glarner Doppelfalte nach Heim (1878). Die Profile liegen in Richtung NNW-SSE. Die drei Schenkel der Falten zeigen einen deutlichen Kontrast: „Der Gewölbeschenkel kann andere, vielleicht ältere, von der liegenden Falte unabhängige Faltungen zeigen, der Muldenschenkel neue secundäre, der sich bildenden Falten harmonisch angelagerte Faltungen ausbilden, der Mittelschenkel wird stets dünner, stets ebener ausgewalzt.“ (Heim, 1891) Die stark reduzierten Mittelschenkel der beiden Falten sind nach Heim allmählich, durch Überwälzen an der Umbiegungsstelle, entstanden. Der Lochseitenkalk ist durch die walzende Bewegung entstanden, vorwiegend aus Jurakalk. Riesige Differentialbewegungen zwischen Gewölbeteil und Muldeteil waren unter grossem Druck im Lochseitenkalk tätig, wobei derjenige seine Knetstruktur erhielt. Lochseitenkalk und Eozän sind häufig ineinander geknetet: Der Lochseitenkalk wurde von den steil stehenden Eozenschiefern „wie von einer gezähnten Walzenfläche erfasst“. Vom Verrucano aber wird der Lochseitenkalk eher durch eine gerade Ebene getrennt. (Abb. 6) Die beiden liegenden Falten mit etwa Südwest-Nordost streichender Symmetrielinie unterscheiden sich unter anderem in folgenden Merkmalen: Die Nordfalte steht tiefer als die Südfalte. Bei der Südfalte liegt die Muldenumbiegung der Kreideschichten auf 2000 bis 2500 Meter über Meer, bei der Nordfalte unterhalb der Meereshöhe. Der die beiden Falten verbindende Muldenschenkel fällt also von Süden gegen Norden ein. Da die Nordfalte länger und steiler ist als die Südfalte, gelangen die Stirnen der beiden Falten etwa auf die selbe Höhe. Die Gewölbeumbiegung der Nordfalte ist vom Kammerstock bis zum Griessstock erhalten, die der Südfalte ist nicht mehr erhalten. Anzeichen derselben fand Heim am Vorab, Ringgenkopf und Kalkhorn. Die Faltung der Eozänschiefer entspricht überall der Stellung der Südfalte und nie derjenigen der Nordfalte. Daraus schloss Heim, dass die Südfalte sich vor der Nordfalte zu bilden begonnen hatte. Die Bewegung der Erdrinde konnte unmöglich bei der Nord- und Südfalte unterschiedliche Richtungen gehabt haben. Somit war nach Heim die 11/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 Richtung, in welche Falten sich neigen, unabhängig von der Bewegung der Erdrinne. Dies stand schon damals im Widerspruch zu Ansichten einiger Forscher. Abb. 6: Walzen nach Heim (1891). V=Verrucano, L=Lochseitenkalk, F=Flysch. Aus: Heim 1921. Eine Schlüsselstelle der Hypothese der Glarner Doppelfalte fand sich an der Balmwand. Im Malmkalk der Balmwand sah Heim den verkehrten Mittelschenkel der Nordfalte. Das nach Süden gerichtete Umbiegungsknie der Nordfalte sei im Griessstock direkt sichtbar. Der Balmwand-Griessstockmalm sei Lochseitenkalk, der sich gegen das Umbiegungsknie verdickt habe. (Abb. 8) Heims Werk „Mechanismus“ (1878) wurde im Allgemeinen mit Begeisterung aufgenommen. Mit seinen hervorragenden Zeichnungen, klarem Schreibstil, und wegen seinen bahnbrechenden Untersuchungen über Gesteinsverformung erreichte der enthusiastische Professor, dass die Hypothese allgemein akzeptiert wurde. Sie missachtete zwar geometrische und mechanische Gesetze, doch passte die Hypothese gut zu den damaligen Vorstellungen einer durch Abkühlung schrumpfenden Erde. Widerspruch zu seinen Interpretationen blieb jedoch nicht aus. Wichtigste Kontrahenten waren Michael Vazek, August Rothpletz und Marcel Bertrand. Mit Vazek entstand eine nutzlose und von beiden Seiten her aggressive Kontroverse. Vazeks Ansichten waren recht merkwürdig. Lagerungsstörungen erklärte er meist durch Annahme von riesigen Diskordanzen mit Einlagerung jüngerer Schichten in ein altes Relief. So soll der Lochseitenkalk ein normales Schichtglied sein zwischen dem hangenden permischen Verrucano und den paläozoischen Bündnerschiefern darunter. Der fossilführende, tertiäre Flysch sei in ein vorbestehendes Relief angelagert. „Er vertheilt die eocänen Gesteine nach Belieben in’s Paläozoische, in den Lias und in’s Eocäne ohne jeden Versuch eines Beweises, und er lässt sich jeden Augenblick durch perspektivische Erscheinungen täuschen!“ (Heim, 1891) In Heims Werk (1891) widerlegt er auf über 20 Seiten die Ansichten von Vazek in oft abschätzigen Worten. Die viel gewichtigeren Einwände von Rothpletz jedoch behandelt er nur kurz, die hervorragende Schrift von Bertrand (1884) beachtet er kaum. 12/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 3.4 August Rothpletz (1853-1918) Das folgende Kapitel wurde zusammengefasst nach Rothpletz (1894), Heim (1891) und Trümpy (1991A). Im Gegensatz zu Heim hatte Rothpletz, bevor er sich mit den Glarner Alpen beschäftigte, in Teilen der Alpen gearbeitet, wo Spröddeformationen deutlicher erkennbar waren. So sah Rothpletz auch in den Glarner Alpen überall Brüche, reale sowie nicht existierende. Er dachte, die Alpentäler seien durch subvertikale Brüche bestimmt, häufig eine Grabenstruktur einschliessend. Im Falle des Linthales korrigierte er Heim mit Recht, dieses wird wirklich von einem sinistralen Bruch mit etwa 2 km Versatz durchzogen. Meistens beruhten seine Talbrüche jedoch auf Missinterpretationen. Lochseitenkalk, den Heim für ausgewalzten Jurakalk hielt, hat Rothpletz bereits 1883 mit Recht als mylonitisch angesehen. Damals akzeptierte er die Südfalte noch als liegende nordvergente Falte, interpretierte die Nordfalte aber als nach Süden überschobenen Slab, ohne Mittelschenkel. Seine Ansichten änderten sich jedoch. In einem schon sehr realistisch gezeichneten Profil vom Saasberg und Bützistock (1894) stellte er eine liegende, nach Norden offene Synklinale dar. Auch lieferte Rothpletz 1894 eine ausgezeichnete Beschreibung der Schilt-Region, wo die Überschiebung der Mürtschenendecke auf die Glarnerdecke (damals noch nicht als solche benannt) zu sehen ist. Heim hatte dieses Gebiet gemieden. Kritik an der Doppelfalte mit Auswalzung des Mittelschenkels (Rothpletz 1894): Südliche und nördliche Sattelumbiegung, nördlicher Mittelschenkel und südlicher Schenkel des Südsattels sind nicht vorhanden. Dass diese durch Erosion und Umformung verschwunden sind, ist rein hypothetisch. Notwendig ist die Hypthese aber nicht, denn die Lagerungsverhältnisse lassen sich auch einfacher erklären: „Eine vielfach gefältelte grosse Eocänmulde ist von Süden her überkippt und von Norden durch ältere Gebirge auf einer sehr flach geneigten Fläche überschoben worden.“ (Abb. 7) Abb. 7: Schematische Darstellung der Tektonik der Glarner Alpen nach Rothpletz (1894) Die Hypothese der Doppelfalte ist also nicht notwendig. Aber sie ist auch nicht dienlich, denn es stellen sich folgende Widersprüche: „Das sicher nachweisbare Auftreten mehrerer Längs und Querbrüche lässt sich nicht mit einer bruchlosen Verfaltung des Gebirges zusammenreimen.“ „Wenn der Gewölbeschenkel die Rolle der Walze, die den Mittelschenkel ausgewalzt hat, gespielt haben soll, so kann er Auch stimmen die tektonischen Verhältnisse der Glarner Alpen mit denen des Bündner Rheintales völlig überein, einzig dass die Überschiebung in den Glarner Alpen viel grösser ist. 1898 kombinierte Rothpletz die Nordfalte und Südfalte in eine einzige grosse Überschiebung, jedoch mit Bewegungsrichtung von Ost nach West. Rothpletz hat Heim sowohl mit Recht wie auch mit Unrecht korrigiert. Heim nutzte jedoch seine Autorität aus und behandelte Rothpletz vernichtend. Er widerlegte einzig die schwachen Argumente Rothpletzes, besonders die Grabenbrüche. Die eigentlich wichtigen Einwände wie dabei doch unmöglich auch noch sich selbst ausgewalzt haben,…“ 13/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 die Beobachtungen am Bützistock, Hausstock, Pizmar und Schilt, welche die Existenz der Doppelfalte in Frage stellten, ignorierte er. Rothpletz war einer der ersten Geologen, der realisierte, dass Überschiebungen nicht aussergewöhnliche, lokale Ereignisse sind, sondern in fast allen bekannten Gebirgszügen vorkommen. 3.5 Marcel Bertrand (1847-1907) Der Inhalt dieses Kapitels ist den Schriften Trümpy und Lemoine (1998) und Trümpy (1998) entnommen. Marcel Bertrand wurde durch seine Entdeckung der Decken in den Alpen und der Provence und sein Prinzip der orogenen Zyklen ein Geologe von grossem Einfluss. Er war auch einer der ersten Geologen, die klar unterschieden haben zwischen der Deformation der Gesteine und deren anschliessender Hebung. Ohne zuvor selbst in den Glarner Alpen gewesen zu sein, hat der einflussreiche französische Geologe Marcel Bertrand in seiner berühmten Schrift von 1884 die Beschreibungen und Profile von Heim uminterpretiert. Er zeigte in logischer, entschlossener und ehrlicher Weise, dass eine einzige, nach Norden überschobene Decke viel plausibler war als die Hypothese der Doppelfalte. Seine Schrift blieb jedoch unverständlicherweise lange Zeit unbeachtet. Weder Heim noch Rothpletz gingen auf sein geniales Werk ein. Der Wiener Eduard Suess anerkannte die Interpretationen Bertrands. Er war nie begeistert gewesen von der Hypothese der Doppelfalte, die im Widerspruch zu seinem Konzept der gleichsinnigen tangentialen Bewegung stand. Er versuchte seinen Kollegen Heim von einer Überschiebung zu überzeugen, doch vergebens. Beeinflusst durch die Schrift von Bertrand veröffentlichte Schardt 1893 seine revolutionäre Schrift über die Entstehung der Préalpes romandes, in der er die Préalpes als Decke erklärte. Er wurde heftig dafür kritisiert, doch repräsentiert dieses Werk den Durchbruch der Deckentheorie. Obschon vorher Gegner der Deckentheorie, schloss sich Maurice Lugeon Ende 1895 den Ansichten Schardts an. Lugeon war ein brillanter, überzeugender Schreiber. Mit seiner Schrift von 1902 erreichte er allgemeine Akzeptanz der Deckentheorie und erntete grossen Ruhm. Für die Geologie der Alpen war die Akzeptanz der Deckentheorie ein Schritt von grosser Bedeutung. Vieles wurde dadurch auf einmal verständlicher. Zuvor Undurchschaubares konnte nun logisch erklärt werden. Starken Einfluss hatte die Entdeckung der Decken auf die tektonischen Ansichten. Eine sich auskühlende und schrumpfende Erde war nun nicht mehr denkbar, denn durch Überschiebungen von Decken hätte eine Krustenerkürzung von 400km stattgefunden haben müssen, was einer Verkürzung auf 20% der ursprünglichen Länge entspräche. 14/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 3.6 Albert Heim (1849-1937): Selbstkorrektur Dieses Kapitel wurde zusammengefasst nach Heim (1902), Heim (1906), Heim (1921) und Jubiläumsexkursion (1982). In einem Brief an M. Lugeon im Mai 1902 stimmte schliesslich auch Heim der Deckentheorie zu: „Je suis très heureux de pouvoir vous dire que votre théorie m’apparaît comme une lumière nouvelle qui m’éclaire sur bien des points; c’est pour moi un grand plaisir de reprendre, sous ses points de rajeunis, l’étude de régions…“ Er gab nun zu, dass sich durch die neue Theorie einige Tatsachen klären würden, die zuvor ein unlösbares Rätsel dargestellt hatten. Beispielsweise hatte er kein Südscharnier der Antiklinalfalte finden können. Auch die Schwierigkeiten am Glärnisch und Schild sowie am Griessstock würden sich mit der Deckentheorie erklären lassen. Seine Beobachtung am Lochseitenkalk, dass die Bewegung des Verrucanos stets nach Norden gerichtet war, sprach ebenfalls für die Überschiebung einer Decke in Richtung Norden. Abb. 8: Balmwand und Griesstock. Aus: Heim 1906. Eine wichtige Stelle, an welcher Heim die Hypothese der Doppelfalte zu nachzuweisen geglaubt hatte, war die Balmwand. Dort war nach Heim im Malmkalk der verkehrte Mittelschenkel der Nordfalte direkt zu sehen, und im Griessstock die gegen Süden gerichtete Gewölbestirn. (Abb. 8) Über der Balmwand sollte sich folglich, wie Heim annahm, Dogger befinden. Jakob Oberholzer, ehemaliger Schüler und vortrefflicher Mithelfer Eschers, hat 1905 jedoch über der Balmwand, zwischen dem Lochseitenkalk und dem BalmwandGriessstockmalm, schmale Streifen Nummulitenkalk gefunden. Nummuliten treten erst seit dem Tertiär fossil in Erscheinung. Somit wurde klar, dass hier nicht Umbiegungsknie und verkehrter Mittelschenkel zu sehen waren, und der Balmwand-Griessstockmalm nicht verdickter Lochseitenkalk war. So stand nun auch diese Stelle nicht mehr im Widerspruch zu einer einzigen grossen Glarner Hauptfalte oder Überfaltungsdecke. Den Irrtum korrigierte Heim 1906 in der Schrift „Die vermeintliche Gewölbeumbiegung des Nordflügels der Glarnerdoppelfalte vom Klausenpass, eine Selbstkorrektur.“ 15/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 In seiner Selbstkorrektur von 1906 gesteht Heim ausserdem, dass er selbst manchmal unsicher gewesen sei, wo die Nord- und Südfalte voneinander zu trennen seien. Escher hatte den Hausstock zur Südfalte genommen, Heim später zur Nordfalte. Die zahlreichen Beobachtungen Heims blieben grundsätzlich erhalten, aber uminterpretiert. Aus den zwei konstruierten liegenden Falten wurde eine einzige nach Norden überschobene Decke (Profil 3). Abb. 9: Knettextur des Lochseitenkalkes, besonders schön zu sehen an der Lochseite bei Schwanden. Aus: Heim (1921) Heim (1878, 1906, 1921) beschreibt und interpretiert ausführlich die besonderen Erscheinungsformen des Lochseitenkalks und dessen Deformationsmechanismen. Der Lochseitenkalk fällt auf durch ausgezeichnete Knetstrukturen. Solche Knetstrukturen können an Gesteinen beobachtet werden, die zwischen sich ungleich bewegenden Gesteinsmassen eingeklemmt waren. Dies ist an Überschiebungsflächen der Fall. Unregelmässigkeiten und Zerreissungen entstehen durch die Bewegung, sodass Fetzen der unterliegenden, sowie Bruchstücke der überliegende Schichten mit der mittleren Schicht verknetet, gerollt und zu zylindrischen oder spindelförmigen Riebeln gedreht, stellenweise auseinandergerissen und stellenweise schuppenförmig gehäuft werden. Bei Kalksteinen können Entmischungen stattfinden, was zu vielfach verbogenen und ineinandergekneteten Marmorschlieren führt. Streckungsspindeln bilden sich in Faserrichtung, was etwa Fallrichtung und Deformationsachse entspricht. Längsachsen der Riebeln liegen im Streichen. Die Verknetung ist teils plastisch, aber auch mit Bruch- und Gleitflächen durchmischt und mit Sammelkristallisation verbunden. An der Lochseite bei Schwanden können solche Knetgesteine (Mylonite) besonders schön gesehen werden. (Abb. 9) Der Ausdruck „lochseitisiert“ wurde nach Heim und Escher ähnlich verwendet wie andere „mylonitisiert“ verwenden. Lochseitenkalk besteht zumeist aus Malm, ab und zu beinhaltet er Kreide, Dogger oder Rötidolomit (Hausstock, Kärpfgruppe). Der Malmkalk wurde nach Schätzungen auf das 40 bis 50 fache seiner Profilbreite gestreckt und auf weniger als 1/50 seiner Mächtigkeit ausgewalzt. Die Mächtigkeit des Lochseitenkalks ändert von 0 oder wenigen Dezimetern bis 16/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 zu 30 m. Der innerlich schlierig entmischte Kalkmylonit wird oft vom Flysch durchstossen, sodass sich ein unregelmässig verzahnter Übergang bildet. Charakteristisch ist, neben seiner schwarzweissen faserigen Knettextur, Marmorisierung, sowie Laminierung, dass er häufig von einer geraden Rutschfläche durchschnitten wird (Abb. 10). Abb. 10: Aufschluss an der Lochseite bei Schwanden, Heim 1929 Die Deformation des Malmkalkes fand nach Heim statt, als das Gestein schon in festem Zustand war. Bis 1921 waren die Deformationsmechanismen für Festgesteine auf Kataklase und Ummineralisation beschränkt. Heim fügte neu die Plastizität hinzu, „eine innerliche Verschiebung ohne Zerbrechen, ohne Zerstören der Festigkeit.“ (Heim, 1921) Die Fliessfähigkeit des Lochseitenkalkes zeige, dass Gesteine in festem Zustand plastisch verformbar seien, wenn der Druck hoch genug sei. Die plastische Verformung sei nicht eine Theorie, sondern eine Beobachtungstatsache. Er kann sich „des mächtigen Eindrucks nicht erwehren, dass wenn die Dislokation sich nur mit Bruchdeformationen hätte begnügen müssen, die Alpen in einen Schutt- und Pulverhaufen auseinandergefallen wäre.“ (Heim, 1921) Die Überschiebungsbewegung sei also durch plastisches Fliessen des Lochseitenkalkes geschehen. Der ebenfalls 1921 von Heim beschriebene Deformationsmechanismus „Lösungsumsatz“, heute Drucklösung genannt, ist an am Grat nach Segnas Sura gut zu sehen in Form angelöster Nummuiten und Assilinen. 17/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 3.7 Jakob Oberholzer (1862-1939) Folgendes Kapitel ist zusammengefasst nach Oberholzer (1933), Heim (1921) und Nomination Dossier (2008). Der Zeichenlehrer Jakob Oberholzer (1862–1939) erschaffte ausgezeichnete detaillierte geologische Aufnahmen des gesamten komplexen Gebietes der Glarneralpen. In seinem Werk „Geologie der Glarneralpen“ (1933) befinden sich eine Menge hervorragender, genauer Beobachtungen und eindrucksvolle, wunderschöne, kolorierte Ansichten (Abb. 11) und Profile. Das Werk wird noch heute als wertvolle Basis für neue Interpretationen im Gebiet verwendet. Abb. 11: Foostock (aus Oberholzer, 1933). Rot: Verrucano, Grau: mesozoische Kalke, Gelbbraun: Flysch, Gelb: Nummultenkalk. Abb. 12: Zum Vergleich ein Foto des Foostocks. Foto: David Imper 1915 hat Oberholzer als erster die Trennung zwischen Glarner Decke (im engeren Sinne) und Mürtschenen-Decke im Verrucanogebiet verstanden (Profil 4). Die Glarner Decke wird nach Südosten von der Mürtschenen-Decke abgelöst. Die Verrucanofront der Glarner Decke sei unter dem Bützistock auffindbar. Der Gipfel des Bützistockes, der aus Quarzporphyr besteht, gehöre bereits zur Mürtschenen-Decke. Beobachtungen zeigten, dass der Verrucano der Glarner Decke unter den Grauen Hörnern nach Südosten auskeilt. Eine Verdoppelung des Verrucanos ist im Murgtal zu sehen, wo die trennende Trias nach Süden auskeilt und somit schiefrig-sandiger Verrucano auf 18/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 konglomeratischem liegt. Ähnliche Lagerungsverhältnisse herrschen am Heustock. In der Kärpfgruppe ist im Westen die Unterteilung der beiden Decken durch das trennende gelbe Rötidolomitband deutlich erkennbar, im Osten ist keine klare Abtrennung möglich. Den in der Magereu-Guscha-Gruppe und am Etzelstock zuoberst liegenden Lias bestimmt Oberholzer bereits als Bestandteil der Axen-Decke. 3.8 Kenneth Jinghwa Hsü Der Inhalt des folgenden Kapitels ist der Schrift von Hsü (1969) entnommen. In den 1960er Jahren untersuchte K. J. Hsü Statik und Kinetik der Überschiebung mittels quantitativer Analysen. Seine Berechnungen beruhen auf den Annahmen, die Länge der Überschiebung sei 35km, die Mächtigkeit 5 bis 6km. Aus Beobachtungen am Überschiebungskontakt liess sich schliessen, dass die Überschiebung sich in mindestens zwei Phasen ereignete. In einer früheren Phase fand durch Fliessen des Lochseitenkalkes innerhalb der Überschiebungszone die Hauptbewegung statt. Die Bewegung der späteren Phase geschah durch Reibungsgleiten, die Überschiebungsmasse glitt über eine Bruchfläche. Dabei entstand durch kleine Unregelmässigkeiten an der Bruchfläche ein einige Millimeter dünner Film puverisiertes Gesteinsmehl („fault gouge“) innerhalb des Lochseitenkalkes. Anhand zweier Gleichungen mit den fünf Variablen Länge und Dicke der Überschiebungsmasse, Neigung der Überschiebungsfläche, Verhältnis PorendruckÜberlastungsdruck und kritischer Winkel für Schweregleitung schätzte Hsü den Druckzustand und die Möglichkeit der Schwerkraftgleitung. Er kam zu folgenden Schlüssen: Die frühere Bewegung wurde ausgelöst durch einen Stoss von hinten und geschah auf einer subhorizontalen Überschiebungsfläche bei einem Porendruck ungefähr gleich dem Umgebungsdruck. In der späteren Phase erfolgte die Bewegung, wahrscheinlich im Zusammenhang mit der Hebung des autochthonen Gebirges, mit einem Gefälle von etwa 10° nach Norden. Falls der Porendruck abnormal hoch blieb, kann die Überschiebungsmasse durch Wirkung der Schwerkraft in Bewegung geraten sein. Anderenfalls wäre auch hier ein Stoss von hinten nötig gewesen. Berechnungen mit sechs Gleichungen mit sechs Unbekannten (Schubgeschwindigkeit, Schubspannung, scheinbare Zähigkeit, Dehnungsgeschwindigkeit, Temperatur und Wärmeerzeugung durch mechanische Arbeit) und Länge und Dicke der Überschiebungsmasse ergaben folgende Lösungen: Die Bewegungsgeschwindigkeit in der ersten Phase konnte geschätzt werden auf 0.2 – 10cm/a bei angenommenen Temperaturen von 300 – 400°C an der Basis der Überschiebung. Geschwindigkeiten der Bewegung durch Reibungsgleiten in der späteren Phase wurden entweder durch die Erosionsrate am Fuss (im Falle von Schweregleitung) oder durch die von einem Stoss einer vorrückenden Decke produzierte Spannung (im Falle einer vorrückenden Decke) bestimmt. In beiden Fällen erfolgte die Verschiebung durch ruckartige Bewegungen („jerky sliding“), wobei plötzliche, aber kleine Bewegungen die Schubspannung periodisch kompensierten. Dies resultierte in einer Reihe von untiefen Erdbeben. 19/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 3.9 Stefan Schmid Folgendes Kapitel basiert auf den Schriften Imper (2004) und Jubiläumsexkursion (1983). Stefan Schmid ist Professor an der Uni Basel. Ich behandle hier hauptsächlich seine Arbeit aus den Siebziger Jahren. Folgendes kann im Profil Piz Grisch-Tschingelhörner und im Sernftal gut beobachtet werden: Die relativ steiler südfallende Calanda-Schieferung (siehe Kapitel 3.10) des mesozoischen Kalkes wird von der Hauptüberschiebung diskordant abgeschnitten. In den letzten Metern unterhalb der Überschiebungsfläche erst ist eine asymptotische Schleppung der CalandaSchieferung in die Lagerung der jüngeren Hauptüberschiebung erkennbar. Lokal wird die Schieferung mit zunehmender Nähe zur Überschiebung steiler. Wir haben also keine gegen die Hauptüberschiebung zunehmende einfache Scherung des gesamten Infrahelvetikums. (Schmid 1975) Im Verrucano verlaufen Calanda-Schieferung und Achsenebenen von Isoklinalfalten subparallel zur bogenförmigen Hauptüberschiebung. Die Winkeldiskordanz der CalandaSchieferung zwischen Verrucano und Infrahelvetikum nimmt aufgrund der Bogenform der Hauptüberschiebung von Süden nach Norden zu. (Schmid 1975) Die Geometrie der bereits von Heim beschriebenen Walzen (Abb. 4 und 8), welche an der Unterseite des Lochseiten-Kalkmylonits vorkommen, wenn dieser über schiefrigem Gestein liegt, deuten darauf hin, dass der Mylonit sich kompetenter verhielt als der Flysch. Der Lochseiten-Mylonit stammt nicht überall desselben Ursprungs. Ein Teil davon ist infrahelvetischer Kalk. An andern Orten sind es vermutlich vor oder zu Beginn der Überschiebung abgebrochene, aufs Tertiär aufgeglittene Kalkkeile oder Kalke, die sich an der Front der Verrucanomasse befanden. Die minimale Verformungsrate schätzte Schmid 1975 auf 10-10 sec-1. Er hatte eine Translation von 35 km in höchstens 10 Millionen Jahren angenommen, die ausschliesslich durch einfache Scherung in einem Meter Lochseitenkalk stattgefunden hatte. Aus Labordaten von schnellen, experimentellen Verformungsraten wurde durch Extrapolation des Flissgesetzes auf viel langsamere, geologische Prozesse geschlossen. Daraus resultierte eine viel zu hohe basale Scherspannung, über 1 kbar. Eine so hohe basale Scherspannung hätte dazu geführt, dass der Überschiebungsblock zerbrochen wäre. Bei der Extrapolation wurde jedoch nicht berücksichtigt, dass sich Materialien superplastisch verhalten können. Mithilfe mikroskopischer Untersuchungen war sichtbar, dass der Lochseitenkalk hauptsächlich durch das aneinander Vorbeigleiten einzelner, ca. 10 Mikrometer kleiner Kalkkörner gestreckt wurde, wobei das Innere der Körner sich kaum verformt hatte (Pfiffner 1982). Bekannt war, dass Metalle unter besonderen Bedingungen ungewöhnlich stark verformt werden können, ohne zu zerbrechen, was Superplastizität genannt wird. Stefan Schmid führte in den Siebziger Jahren Laborversuche durch, welche zeigten, dass Lochseitenkalk bei hohen Drucken und Temperaturen, wie sie an der Überschiebungsfläche geherrscht hatten, tatsächlich superplastisch verformt werden kann. Damit lies sich erstmals 20/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 erklären, wie es möglich wäre, eine mächtige Kalkschicht zu einer viele Kilometer langen, nur wenige Meter dicken Schicht auszuwalzen. Superplastizität ist sehr Korngrössenabhängig. Bei einer Korngrösse von 6 Mikrometer wäre die basale Scherspannung 100 bar, bei einer Korngrösse von 1 Mikrometer nur 4 bar. Die enorme Fliessfähigkeit des Lochseitenkalkes würde also ermöglicht durch dessen extrem geringe Korngrösse. 1983 diskutiert Schmid ein Modell, bei dem bei der Deformation die Fliessspannung erniedrigt wird durch abnehmende Korngrössen aufgrund dynamischer Rekristallisation. Kritiker begannen jedoch an der superplastischen Verformung zu zweifeln, weil dafür eine während langer Zeit gleichmässige Bewegung der Gesteine mit konstanter Geschwindigkeit nötig wäre. An aktiven Brüchen kann jedoch beobachtet werden, dass Bewegungen eher in kleinen, ruckartigen Schritten stattfinden. Solche ruckartigen Bewegungen könnten durch das Vorhandensein von Wasser gefördert werden, welches kurzzeitig die Reibung an der Bruchfläche verringert. Sauerstoffisotopenanalysen (Martin Burkhard) weisen nach, dass der Lochseitenkalk zumindest teilweise aus kalkreichem Wasser auskristallisierte und somit erst während der Überschiebung entstand. 3.10 O. Adrian Pfiffner Dieses Kapitel wurde zusammengefasst nach Pfiffner (1992) und Jubiläumsexkursion (1983). Adrian Pfiffner, Professor an der Uni Bern, hat Beziehungen hergestellt zwischen Makro- und Mikrostrukturen der Hauptüberschiebung, bestimmte daraus Deformationsphasen und Transportdistanzen der Decken und untersuchte an Lochseitenkalk und andern Kalken Deformationsmechanismen. Anhand strukturgeologischer Analysen definierte O. Adrian Pfiffner eine Abfolge von Deformationsphasen (Pfiffner 1977, 1978, 1982, Milnes & Pfiffner 1977, 1980). Pizol-Phase (32 Ma): Cavistrau-Phase (30 Ma): Calanda-Phase (28 Ma): Ruchi-Phase(22 Ma): Eingleiten der exotischen Einheiten, möglicherweise als Schweregleitung. Faltung, die zu grossräumigen liegenden Falten führte. Verursacht eine durchdringende Schieferung parallel zu Achsenflächen und Überschiebung. Postmetamorphe Runzelschieferung, besonders ausgeprägt im Liegenden der Hauptüberschiebung. Schmid nimmt 1975 an, etwa 35 km der Verschiebung habe in der Ruchi-Phase stattgefunden. Nach Milnes & Pfiffner (1977) geschah nur der Transversaltransport der späteren Phase (10– 15 km) in der Ruchi-Phase, was einen kontinuierlichen Überschiebungsprozess von der Calanda-Phase überleitend in die Ruchi-Phase bedeutete. Bei ersterer Auffassung gäbe es einen zeitlichen Hiatus zwischen Calanda-Phase und Ruchi-Phase. Radiometrische Datierungen ergaben später, dass der metamorphe Höhepunkt vor etwa 20 Ma erreicht wurde (Frey et al. 1974). An den Tschingelhörnern sind Dehnungsbrüche sichtbar, welche eindeutig jünger sind als die Hauptüberschiebung. Die Bogenform der Überschiebung müsste jedoch primär sein, denn 21/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 eine spätere Verbiegung durch Hebung des Aarmassives hätte nicht nur die Überschiebungsfläche, sondern auch die Calanda-Schieferung verbogen, was sie aber nicht tat. (Schmid 1975, Pfiffner 1977) Am fliessenden Übergang von infrahelvetischer Kreide in Lochseitenkalk am Cassonsgrat kann erkannt werden, dass der Lochseiten-Kalkmylonit eine höhere Fliessfähigkeit besitzt als die infrahelvetischen Kalke, denn ein Anschmiegen der Foliation an die Überschiebung ist nur im Lochseiten-Mylonit festzustellen. Pfiffner (1982) untersuchte die Mikrostrukturen an diesem Übergang elektronenmikroskopisch und lichtoptisch. Korninterne Deformation durch Zwillingsbildung und anschliessendes Versetzungskriechen mit gleichzeitiger dynamischer Rekristallisation in den Kalken unter dem Mylonit konnten beobachtet werden. Mikrostrukturen lassen auf eine Paläo-Differentialspannung in der Grössenordnung von 1 kbar schliessen. Die Körner sind gegen den Mylonit hin, trotz Zunahme der Deformation, weniger geplättet. Dies deutet auf superplastisches Fliessen hin. In höher metamorphem Bereich ist Lochseiten-Kalkmylonit in marmorähnlicher Ausbildung vorhanden. Dort kann man in dem Gestein eine Schieferung und eine schwache Streckungslineation feststellen, welche mit solchen der Calanda-Phase vergleichbar sind. (Abb. 13) Innerhalb des Lochseiten-Kalkmylonits ist eine Laminierung von kompliziert verfalteten hellen und dunklen Bänden erkennbar. An der unteren Grenze sind die Laminen oft konkordant mit den Walzen verformt. Zur Obergrenze verlaufen sie häufig parallel. Abb. 13: Das Blockdiagramm schematische zeigt die geometrischen Verhältnisse von Schieferungen Streckungslineation Glarner (S) und (L) zur Hauptüberschiebung. Cal=Calanda, Ru=Ruchi. Aus: Jubiläumsexkursion 1982, O. A. Pfiffner. Pfiffner (1992) behandelt Strukturen und Variationen in strukturellen Stilen in den helvetischen Decken. Dabei spielt das Verhältnis n, die Mächtigkeit der kompetenten zur Mächtigkeit der inkompetenten Schichten, eine wichtige Rolle. Bei kleinen n-Werten entstehen bevorzugt schuppenförmige Überschiebungen („imbricate thrusts“) und harmonische Falten, bei hohen n-Werten Abscherfalten und disharmonische Falten. Ist n=0.5, bilden sich polyharmonische Falten. Die Glarner Hauptüberschiebung ist die basale Überschiebung der Helvetischen Decken, welche in zwei Deckenkomplexe eingeteilt sind: den unteren und den oberen Glarner Deckenkomplex. Durch die Säntis Überschiebung werden die beiden voneinander getrennt. Der obere Glarner Deckenkomplex ist auch als Säntis-Decke bekannt und besteht aus Kreidekalken, welche im tonigen-mergeligen Palfris-Horizont vom darunter liegenden Jura abgeschert wurden. Dabei bildeten sich Abscherfalten und Stauchfalten („buckle folding“). 22/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 Im unteren Glarner Deckenkomplex zeigen sich zwei strukturell unterschiedliche Levels. Der untere Level besteht aus einem starren Block Verrucano und Trias mit einfachen Strukturen, was auf mechanische Härte dieser Schichten hinweist. Verschiedene Faktoren können dazu beigetragen haben, dass der Verrucano einzig am Kontakt zum Trias verfaltet wurde, sonst aber weitgehend unverfaltet blieb: Die grobkörnig klastische, schlecht sortierte Basis und die lateralen Faziesvariationen sind ungeeignet für Faltung. Dass der Abscherhorizont (Lochseiten-Kalkmylonit) sehr geringmächtig war, hatte vermutlich auch einen Einfluss. Der Lochseitenkalk stammt von Kalken, die im Liegenden der Glarner Hauptüberschiebung vorkommen. Die Kalke wurden während der Überschiebung über eine Distanz von mindestens 20 km in ein 1-2 m dickes Band ausgeschmiert. Die Entstehung eines solchen Abscherhorizontes ist erklärbar durch tektonische Erosion der Liegendrampe während der Überschiebung einer mechanisch stärkeren Schicht. Im oberen Level des unteren Glarner Deckenkomplexes bilden die Jurakalke schuppenförmige Überschiebungen (Umgebung Walenstadt), die im Süden in asymmetrische Faltung übergehen (nördlich des Ringelspitzes). Diese strukturelle Änderung ist auf die gegen Süden zunehmende Mächtigkeit des mittleren Juras und damit grösser werdenden n-Werte zurückzuführen. Der schiefrige untere Teil des mittleren Juras ist auch verantwortlich für die Disharmonie zwischen unterem und oberem Level. Unterhalb der Glarner Hauptüberschiebung befindet sich der Infrahelvetische Komplex, wo liegende Falten und Überschiebungen an steilwinkligen Bruchflächen vorherrschen. Hier wurde die Alpine Deformation auch von früheren variszischen Strukturen beeinflusst. In den helvetischen Alpen sind viele Faltenachsen genau entsprechend oder parallel zu den Abrisspunkt-Verbindungslinien („cut-off point tie lines“) ausgerichtet. Dies trifft auch auf die Glarner Hauptüberschiebung zu. Die Faltenachsen und Abrisspunkt-Verbindungslinien bilden eine Bogenform, die genau die Form des Verrucanovorkommens an der Überschiebung nachzeichnet. Daraus kann geschlossen werden, dass der Faltenbogen aus der ursprünglichen Form des Verrucanobeckens resultierte. Abb. 14: Profil durch die helvetische Zone. NHF=Nordhelvetischer Flysch, SF=Sardona und Schlieren Flysch (Penninisch), SH= Südhelvetische Einheiten, UH=Ultrahelvetische Einheiten, UMM=Untere Meeresmolasse, USM=Untere Süsswassermolasse. Aus: Pfiffner ( 1992). 23/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 4. UNESCO Weltnaturerbe Die Forschung an der Glarner Hauptüberschiebung gehört jedoch nicht der Vergangenheit an. Gerade heutzutage ist das Thema sehr aktuell. Unter dem Namen „Swiss Tectonic Arena Sardona“ kandidiert die Glarner Hauptüberschiebung, um in der Liste der UNESCO Weltnaturerben aufgenommen zu werden. Die im August 2006 eingereichte Kandidatur mit dem Namen „Glarner Hauptüberschiebung“ beschränkte sich auf das geologische Phänomen der Überschiebung. Sie basierte auf einer Vergleichsstudie, welche zeigte, dass die geologische Besonderheit der Überlagerung von älteren Gesteinen über jüngeren hier weltweit einzigartig sichtbar ist. Experten der internationalen Prüforganisation IUCN empfahlen an ihrem Evaluationsbesuchstag im September 2007, das Thema zu erweitern und zusätzlich zum geologischen Phänomen der Überschiebung auch dessen wichtige Bedeutung zur Forschung der Gebirgsbildung und zum Verständnis der Plattentektonik aufzuzeigen. Vorgeschlagen wurde auch, unter Einbezug dieser Aspekte, einen passenderen Namen zu wählen. Diese Anregungen wurden umgesetzt. Adrian Pfiffner und Stefan Schmid führten eine zusätzliche Vergleichsstudie durch, welche die 15 weltweit wichtigsten Gebirgsbildungsprozesse betrachtete. Unter den 4 Kriterien „Bedeutung für die wissenschaftliche Forschung“, „landwirtschaftlicher Wert“, „geomorphologischer Ausdruck“ und „Bedeutung für die wissenschaftliche Lehre“ wurden die östlichen Schweizeralpen im Bereich der Glarner Hauptüberschiebung deutlich als weltweit bestes Gebiet bewertet und geniessen somit herausragenden, universellen Wert für Gebirgsbildungsprozesse und Verständnis der Plattentektonik. Als neuer Name wurde „Swiss Tectonic Arena Sardona“ (franz. „Haut lieu tectonique suisse Sardona“) gewählt. Das Logo stellt die Hauptüberschiebung am Piz Sardona dar. (Abb. 15) Abb. 15: Das neue Logo Das vorgeschlagene Weltnaturerbe-Gebiet befindet sich an den Grenzen der Kantone Glarus, St. Gallen und Graubünden und erstreckt sich 2 über 329 km . (Abb. 15) Im Mittelpunkt steht der Piz Sardona (3055.8 m ü M), an welchem die Hauptüberschiebung sehr schön zu sehen ist. Des weiteren beinhaltet das Gebiet Ringelspitz, Pizol Region, Calfeisental, Foostock, das südliche Weisstannental und Murgtal, Tschingelhorn-Vorab Gruppe, Lochseite, Piz Segnas Gruppe, Flumserberg, Flimserstein und vieles mehr. Hauptgründe für die Aufnahme der „Swiss Tectonic Arena Sardona“ in die Welterbeliste der UNESCO wären folgende: Die Überschiebungsfläche ist hier besonders auffällig und gut erkennbar, die geologischen Strukturen sind ausserordentlich schön ausgebildet und die 24/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 Forschungsgeschichte dieses Gebietes hat viel zum Verständnis der Gebirgsbildung und der Plattentektonik beigetragen. Abb. 16: Der berühmte, sehr gut zugängliche Aufschluss an der Lochseite: Hier ist es möglich, die Überlagerung älterer über jüngere Gesteine aus nächster Nähe zu betrachten. Foto: Daniela Bäbler Das Gebiet der „Swiss Tectonic Arena Sardona“ verfügt ausserdem über eine reichhaltige Pflanzen- und Tierwelt, Hochmoore, Schwemmebenen und die älteste wiederangesiedelte Steinbockkolonie der Schweiz. Dazu befinden sich in der teilweise noch unberührten Landschaft eine hohe Anzahl Geotope wie die Lochseite, die Tschingelhörner mit Martinsloch, ein Kupferbergwerk und von eiszeitlichen Gletschern geprägte Landschaften im Murgtal. Anfangs Juli 2008 wird über die Aufnahme der „Swiss Tectonic Arena Sardona“ in die Liste der UNESCO-Weltnaturerben entschieden. Die Aufnahme in die UNESCO-Welterbe-Liste würde nebst Auszeichnung und weltweiter Anerkennung einen langfristigen Schutz des Gebietes bedeuten. Dieses Kapitel ist zusammengefasst aus den Websites www.glarnerhauptueberschiebung.ch, www.bafu.admin.ch und dem Rundbrief Nr. 11/März 2008 - Kandidatur UNESCO. 25/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 5. Vorlage für einen Prospekt Die Glarner Hauptüberschiebung liegt im Grenzgebiet der Kantone Graubünden, Glarus und St.Gallen und ist als auffällige, gerade Linie an den Felswänden zu erkennen. Bei der Kollision von Europa und Afrika begann die Bildung der Alpen. Dies geschah durch verfalten, stauchen und überschieben von Gesteinsschichten. Vor 22 Mio Jahren wurden 16 km unterhalb der Erdoberfläche alte Verrucanogesteine (250 -300 Mio Jahre) über eine Distanz von über 35 km auf jüngere Flyschgesteine (50 Mio Jahre) überschoben. Durch stetige Hebung und gleichzeitige Erosion des Gebirges ist diese Überschiebungsfläche heute aufgeschlossen. Am Überschiebungskontakt liegt ein meist 1-2 Meter mächtiges Band aus Lochseitenkalk. Speziell an der Glarner Hauptüberschiebung ist, dass die Glarner Decke mit einer Breite von 100 km und einer Länge von 50 km als Ganzes überschoben wurde und nicht in kleinere Bruchstücke zerfallen ist. Glarner Hauptüberschiebung beim Martinsloch. Foto und Schema: O. A. Pfiffner Übersicht der Gesteine, die an der Überschiebung beteiligt sind Name Eozäner Flysch Alter (Mio Jahre) 34 - 53 Mesozoische Sedimente 65 - 250 Verrucano 250 - 300 Lochseitenkalk Gegenstand aktueller Forschung Beschreibung Flysch ist ein Sammelbegriff für Gesteine, welche während Gebirgsbildungen im Vorlandbecken abgelagert werden. Hier sind es kilometermächtige Abfolgen von dunkelgrauen Brekzien, Sand- und Kalksteinen, Quarziten, Ton- und Mergelschiefern. Dazu gehören die Sedimente aus Trias, Jura und Kreide: Melsersandstein, Rötidolomit und –rauhwacken, Quartenschiefer und –quarzite, Ton- und Mergelschiefer, fossilhaltige Kalke Glarner Verrucano ist z. T. über 1.5 km mächtig. Er wurde in einer Wüste abgelagert und hat je nach Lokalität eine rote, vieloettrote oder grüne Farbe. Lokal enthält er grobkörnige Geröllkomponenten, welche u. a. vulkanisch sind. Helles Kalkband mit stark verfalteter Internstruktur (Knetstruktur), welches von einer messerscharfen Linie durchzogen wird. 26/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 UNESCO Weltnaturerbe Das Gebiet der Glarner Hauptüberschiebung kandidiert zurzeit unter dem Namen “Swiss Tectonic Arena Sardona” für eine Aufnahme in die Liste der UNESCO Weltnaturerben. In einer Vergleichsstudie, welche die 15 weltweit wichtigsten Gebirgsbildungsprozesse betrachtete, erreichte das Gebiet deutlich den ersten Rang. Die Überschiebungsfläche ist hier besonders auffällig und gut erkennbar, die Aufschlüsse leicht erreichbar und die geologischen Strukturen einmalig schön ausgebildet. Zudem hat die Forschungs-geschichte des Gebietes ausserordentlich viel zum Verständnis der Gebirgsbildung und Plattentektonik beigetragen. Forschungsgeschichte Aquarell von H. C. Escher (1812) Bereits 1807 erkannte Hans-Conrad Escher von der Linth (1767-1823) eine Anomalie in den Glarner Alpen: Der Alpenkalk (=mesozoische Kalke), welcher dazumal nach Theorie immer auf der Grauwacke (=Verrucano) liegen musste, war hier unterhalb der Grauwacke vorzufinden. Mit dem damaligen Wissensstand konnte sich Escher das Phänomen nicht erklären. 1841 bewies Hans-Conrad Eschers Sohn Arnold Escher (1807-1872) dann durch Bestimmung des relativen Alters der Schichten anhand deren Fossilieninhalts, dass in den Glarner Alpen über grosse Distanzen älteres Gestein auf jüngerem liegt. Er sprach 1841 korrekterweise von einer „colossalen Überschiebung“. Später bekam Escher jedoch Zweifel: Eine Überschiebung dieser Ausmasse war nicht zu vereinbaren mit der damaligen Weltanschauung, in welcher man sich die Entstehung der Gebirge durch eine auskühlende und daher schrumpfende Erdkruste erklärte. So erfand Escher die Hypothese Legende der Glarner Doppelfalte: Zwei liegende Falten, Eozäner Flysch welche eine Mulde von jungem Gestein (Flysch) Mesozoische Sedimente Verrucano einschliessen. Albert Heim (1807-1872) übernahm Lochseite nach GL Hauptüberschiebung die Hypothese der Doppelfalte (siehe Profil). Sie Escher (1841). missachtete zwar geometrische und mechanische Gesetze, doch passte sie gut zur Vorstellung einer schrumpfenden Erde und wurde allgemein Doppelfalte nach Heim (1878, 1891) akzeptiert. Der kleinen Schrift (1884) von Marcel Bertrand (1847-1907), in welcher er auf logische Weise zeigte, dass eine einzige von Süden nach Überschiebung nach Heim (1921) Norden überschobene Decke viel plausibler war als eine Doppelfalte, fand vorerst kaum Beachtung. Später erst wurde die Wichtigkeit seiner Schrift erkannt: Durch die Entdeckung der Decken wurde in Oberholzer (1933) den Alpen das Chaos geologischer Strukturen auf einmal verständlicher. Jakob Oberholzer (18621939), ehemaliger Schüler und Mithelfer Heims, Schmid (1975) erstellte wunderschöne, hervorragende Ansichten und Profile des gesamten komplexen Gebietes. Pfiffner (1992) Die sechs Profile (ca. N-S gerichtet) zeigen die Entwicklung der Interpretationen der Geologischen Situation in den Glarner Alpen von 1841 bis heute. 27/30 Glarner Hauptüberschiebung Daniela Bäbler Historische- Wissenschaftliche Perspektive Bachelorarbeit 2008 Neueste Erkenntnisse Das Gebiet der Glarner Hauptüberschiebung wurde während der Gebirgsbildung mehrfach überprägt. Anhand der strukturellen Merkmale wurden vier Deformationsphasen unterschieden. (Milnes & Pfiffner 1977) Pizol Phase Vor 32 Mio J Cavistrau Phase Calanda Phase Vor 30 Mio J Ruchi Phase Vor 22 Mio J Vor 28 Mio J Platznahme der exotischen Einheiten. Aus dieser Zeit sind keine Strukturen mehr erkennbar. Erstes Verschieben von Gesteinsschichten. Es bildeten sich frühe Grossfalten und lokal Schieferung aus. Der kristalline Untergrund wurde verfaltet und es entstanden mehrere Überschiebungen in den mesozoischen Schichten. Es bildete sich im ganzen Gebiet eine Schieferung aus, welche je nach Art der Gesteine unterschiedlich ausgeprägt ist. Bewegung an der Glarner Hauptüberschiebung und Ausbildung einer Runzelschieferung (die Schieferung aus der Calanda Phase wurde nochmals deformiert). Die Forschung an der Glarner Hauptüberschiebung verlief episodisch. Immer, wenn die analytischen Methoden verbessert wurden oder ein neues Konzept entstand, wurden die Kenntnisse eingesetzt, um den Glarner Deckenkomplex weiter zu studieren. Auch heute gibt es unter den Geologen sehr unterschiedliche Meinungen darüber, wie die Überschiebung genau entstanden ist (Herwegh 2006). Die Disskusion reicht von einer Sequenzdurchschneidenden Überschiebung als spät orogenetischen Event bis hin zu einem fliessenden Übergang von einer Falte zu einer Überschiebung. Der Überschiebungskontakt Aufgrund der Strukturen im Lochseitenkalk (in der Mitte des Fotos) wird geschlossen, das es während der Überschiebung viskose, duktile und kataklastische, spröde Deformationsprozesse gab, welche gleichzeitig stattfanden. Es ist allerdings noch nicht klar, welchen Beitrag die verschiedenen Mechanismen zur Gesamtdeformation leisteten und wie sich das mit der Zeit geändert hat. Die gerade Linie stammt von einer letzten spröden Bewegung an der Überschiebung. Foto: Rahel Egli, Lochseite bei Sool, Schwanden GL Der Einfluss der Fluide (Gemisch aus Wasser, Kalk und anderen gelösten Stoffen) Bei der Glarner Hauptüberschiebung spielten Fluide eine wichtige Rolle. Während der duktilen Deformation gab es immer wieder Zyklen, in welchen das Gestein durch den hohen Druck der Fluide zerbrochen ist. Die so entstandenen Spalten an der Überschiebungsfläche wurden anschliessend durch Kalkausscheidungen aus den Fluiden wieder gefüllt. Ein Teil des Lochseitenkalks ist auf diese Weise entstanden. Die Kalkadern sind stark verfaltet und von Auge gut sichtbar. 28/30 Glarner Hauptüberschiebung Historische- Wissenschaftliche Perspektive Daniela Bäbler Bachelorarbeit 2008 6. Literaturverzeichnis ESCHER, A. (1841): Geologische Carte des Cantons Glarus und seiner Umgebung, nebst Profilen. Verh. Schweiz. Naturf. Ges., Zürich, 56-62 FUNK, H., LABHART, T., MILNES, A. G., PFIFFNER, O.A., SCHALTEGGER, W., SCHINDLER, C., SCHMID, S.M., TRÜMPY, R. (1993): Bericht über die Jubiläumsexkursion „Mechanismus der Gebirgsbildung“ der Schweizerischen Geologischen Gesellschaft in das ost- und zertralschweizerische Helvetikum und in das nördliche Aarmassiv vom 12.-17. September 1982. Eclogae geol. Helv. 76, 91-123 HEIM, Alb. (1878): Untersuchungen über den Mechanismus der Gebirgsbildung im Anschluss an die geologische Monographie der Tödi-Windgällen-Gruppe. Schwabe, Basel. HEIM, Alb. (1891): Geologische Hochalpen zwischen Reuss und Rhein. 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