Summary
Die Reibung von phyllosilicates-reichen Fehlern, die in ihrer In-situ-Geometrie geschoren werden, ist deutlich geringer als die Reibung ihrer pulverförmigen Äquivalente.
Abstract
Viele Gesteinsverformungsexperimente zur Charakterisierung der Reibungseigenschaften tektonischer Verwerfungen werden an pulverförmigen Verwerfungsgesteinen oder auf blanken Gesteinsoberflächen durchgeführt. Diese Experimente waren von grundlegender Bedeutung, um die Reibungseigenschaften granularer Mineralphasen zu dokumentieren und Hinweise auf Krustenfehler zu liefern, die durch hohe Reibung gekennzeichnet sind. Sie können jedoch die Reibungseigenschaften von Fehlern, die reich an Phyllosilisaten sind, nicht vollständig erfassen.
Zahlreiche Studien über natürliche Fehler haben eine flüssigkeitsunterstützte Reaktionserweichung dokumentiert, die den Ersatz starker Mineralien durch Phyllosilicate fördert, die in kontinuierlichen Foliationen verteilt sind. Um zu untersuchen, wie diese foliierten Gewebe die Reibungseigenschaften von Verwerfungen beeinflussen, haben wir: 1) foliierte phyllosilikatreiche Gesteine aus natürlichen Verwerfungen gesammelt; 2) Schneiden Sie die Verwerfungsgesteinsproben, um feste Wafer mit einer Dicke von 0,8-1,2 cm und einer Fläche von 5 cm x 5 cm mit der Foliation parallel zur 5x5 cm großen Oberfläche des Wafers zu erhalten; 3) Durchführung von Reibungstests sowohl an festen Wafern, die in ihrer In-situ-Geometrie geschoren wurden, als auch an Pulvern, die durch Zerkleinern und Sieben erhalten wurden und somit die Blattbildung derselben Proben unterbrechen; 4) die Proben für mikrostrukturelle Untersuchungen aus den Gesteinsproben nach dem Versuch gewonnen haben; und 5) führte mikrostrukturelle Analysen mittels optischer Mikroskopie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie durch.
Mechanische Daten zeigen, dass die festen Proben mit gut entwickelter Foliation im Vergleich zu ihren pulverförmigen Äquivalenten eine deutlich geringere Reibung aufweisen. Mikro- und Nanostrukturstudien zeigen, dass eine geringe Reibung durch Gleiten entlang der Blattflächen aus Phyllosiliziaten entsteht. Wenn die gleichen Gesteine pulveriert werden, ist die Reibungsfestigkeit hoch, da das Gleiten durch Bruch, Kornrotation, Translation und damit verbundene Dilatation aufgenommen wird. Reibungstests deuten darauf hin, dass foliierte Verwerfungsgesteine eine geringe Reibung aufweisen können, selbst wenn Phyllosilicate nur einen kleinen Prozentsatz des gesamten Gesteinsvolumens ausmachen, was bedeutet, dass eine signifikante Anzahl von Krustenverwerfungen schwach ist.
Introduction
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Reibungseigenschaften intakter phyllosilikatreicher Fehler, die in ihrer In-situ-Geometrie geschoren wurden, zu testen und zu zeigen, dass ihre Reibung signifikant geringer ist als die Reibung, die aus Experimenten an Pulvern desselben Materials gewonnen wird.
Zahlreiche geologische Studien haben eine flüssigkeitsunterstützte Reaktionserweichung während der langfristigen Entwicklung tektonischer Verwerfungen dokumentiert. Die Erweichung erfolgt durch den Ersatz starker Mineralien wie Quarz, Feldspat, Calcit, Dolomit, Olivin, Pyroxen durch schwache Phyllosilicate1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Diese Schwächung hat ihren Ursprung auf der Kornskala und ist hauptsächlich auf das Gleiten bei sehr geringer Reibung entlang der Phyllosilikatfolien zurückzuführen, die zusammen eine Form der Schmierung erzeugen. Von der Kornskala wird die Fehlerschwächung über die Interkonnektivität der phyllosilikatreichen Zonen11auf die gesamte Fehlerzone übertragen. Um die Rolle des Reibungsgleitens entlang miteinander verbundener Phyllosilikat-Folien zu erfassen, wurden intakte feste Wafer natürlicher Verwerfungsgesteinsproben während der Gesteinsverformungsexperimente in ihrer In-situ-Geometrie geschoren12,13,14. Am Ende des Experiments wurden mikrostrukturelle Studien an den getesteten Proben durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Verformung effektiv durch Reibungsgleiten entlang der Phyllosilikat-Folien berücksichtigt wurde.
Im Vergleich zu herkömmlichen Reibungstests, die an pulverförmigen Materialien durchgeführt werden, die durch Zerkleinern und Sieben des Verwerfungsgesteins gewonnen werden, können Experimente an intakten Wafern das Reibungsgleiten entlang der miteinander verbundenen phyllosilikatreichen Schichten erfassen, die durch flüssigkeitsunterstützte Reaktionserweichung gebildet werden. Tatsächlich stört während des Prozesses der Pulveraufbereitung das Zerkleinern und Sieben des Verwerfungsgesteins die Konnektivität der Phyllosilikatschichten, und wenn das Material im Labor geschoren wird, begünstigt das Fehlen kontinuierlicher Phyllosilikathorizonte eine Verformung, die hauptsächlich aus Kornzerkleinerung, Rotation und Translation besteht, was zu hoher Reibung führt.
Experimente an festen Wafern zeigen eine deutlich geringere Reibung im Vergleich zu Experimenten an pulverförmigem Material, das aus demselben Gesteinstyp gewonnen wird, insbesondere wenn der Prozentsatz der Phyllosilicate < 40%beträgt 15. Mit zunehmender Phyllosilikathäufigkeit wurde auch für Versuche an pulverförmigem Material eine Verringerung der Reibung dokumentiert, da in diesem Fall das große Volumen an Phyllosilikaten ausreicht, um die Interkonnektivität der schwachen Mineralphasen durch den gesamten Versuchsfehler16,17,18,19,20,21,22zu fördern . Alternativ wurden zur Simulation des Reibungsgleitens auf den miteinander verbundenen schwachen Schichten andere Arten von Reibungstests an Pulvern durchgeführt, die aus 100% schwachen Mineralphasenbestehen 23,24,25.
Die geometrische Verwerfungsschwächung, die durch Gesteinsgewebe in Verformungsexperimenten bei hohen Temperaturen gefördert wird und daher repräsentativ für die dukile Lithosphäre ist, ist seit vielen Jahren bekannt26. Die Ergebnisse des hier vorgestellten Verfahrens deuten darauf hin, dass Phyllosilikatgewebe die Fehlerschwächung auch bei einer großen Anzahl von Fehlern in der seismogenen oberen Kruste fördert.
Protocol
1. Gesteinsprobensammlung
- Wählen Sie in einem gut exponierten Aufschluss einer natürlichen phyllosilikatreichen Verwerfung die richtige Exposition (Verwerfungsgestein, das entlang einer Ebene mit Verwerfungslinie gut erhalten ist), wo eine repräsentative Gesteinsprobe für die Experimente entnommen werden soll. Achten Sie darauf, ein Verwerfungsgestein mit einem Blattabstand von nicht mehr als einigen Millimetern auszuwählen. Dies geschieht, um Phyllosilikathorizonte in rechteckigen Wafern bis zu 1,5 cm Dicke zu erfassen, die bei Reibungsexperimenten geschoren werden.
- Verwenden Sie einen Hammer und meißel, um eine Fehlergesteinsprobe mit einer Fläche von etwa 10 cm x 10 cm und einer Dicke von mehr als 3 cm zu erhalten.
- Markieren Sie den Schersinn auf der Gesteinsprobe, basierend auf kinematischen Indikatoren, die im Feld beobachtet wurden (z. B. Slickenside, Foliationen, Schleppfalten usw.).
HINWEIS: Die Fläche der Probe kann kleiner als 10 cm x 10 cm sein, aber sie muss größer als 5 cm x 5 cm sein, was der Größe der Forcatorblöcke der Versuchsapparatur entspricht.
ACHTUNG: Die blattgesteinsen Proben sind sehr brüchig und daher kann es nach der Entnahme sinnvoll sein, die Probe mit etwas Klebeband oder einer Plastikfolie zu umwickeln. Es ist zwingend erforderlich, dass die entnommenen Proben durch Verwitterung nicht verändert werden und daher diese Gesteine das Verwerfungsgestein in seismogener Tiefe darstellen.
2. Probenvorbereitung für Reibungsversuche in der doppelten Direktscherkonfiguration
- Schneiden Sie die Gesteinsprobe, um rechteckige Wafer zu erhalten, die zu den Antriebsblöcken der Gesteinsverformungsvorrichtung passen. Dies wird in der Regel in zwei Schritten erreicht: Im ersten Schritt erhalten Sie mit einer Standard-Laborsäge eine Gesteinsprobe, die etwas größer ist als die Antriebsblöcke; zweitens verwenden Sie eine hochpräzise Drehklinge oder einen Handschleifer, um Wafer mit einer Fläche von 5 cm x 5 cm und einer Dicke von 0,8-1,2 cm zu formen (Abbildung 1, links). Für einen Standard-Doppel-Direktschertest werden zwei Wafer desselben Gesteins benötigt, um ein einziges Experiment durchzuführen. Stellen Sie während des Schnitt- und Formgebungsverfahrens sicher, dass die in der Probe enthaltenen natürlichen phyllosilikatreichen Scherebenen parallel zur Oberfläche der Antriebsblöcke erhalten bleiben. Dies bedeutet, dass die Foliation parallel zur 5 cm x 5 cm großen Fläche des Wafers verläuft.
- Verwenden Sie eine Scheibenmühle, um das verbleibende Material aus dem Schnitt der intakten Proben zu zerkleinern und das Material zu sieben, um Pulver mit einer Korngröße <125 μm zu erhalten (Abbildung 1, rechts).
- Montieren Sie zwei identische Wafer auf Edelstahl-Forcingblöcke mit einer nominalen Reibungskontaktfläche von 5 cm × 5 cm und montieren Sie sie dann mit dem zentralen Antriebsblock, um die symmetrische Doppel-Direktscherkonfiguration zu bilden.
HINWEIS: Es ist wichtig, dass der Schersinn, den die Maschine der Probe auferlegt, mit dem natürlichen Schersinn übereinstimmt, der auf dem Wafer aufgezeichnet und unter Punkt 1.3 markiert ist. - Verwenden Sie die Pulver, um zwei identische Gesteinsschichten mit einer Dicke von etwa 5 mm und einer Fläche von 5 cm x 5 cm2 zukonstruieren. Bei diesen pulverförmigen Gesteinsproben wird die natürliche Foliation durch die Probenvorbereitung mit einer Scheibenmühle zerstört. Verwenden Sie eine präzise Nivellierungsvorrichtung, um eine gleichmäßige und reproduzierbare Gesteinsschicht aus pulverförmigem Material zu erhalten. Stellen Sie die symmetrische Doppel-Direktscherbaugruppe zusammen.
3. Reibungsexperimente
- In einer biaxianenApparatur 27,28 wird der horizontale servogesteuerte Hydraulikkolben verwendet, um eine konstante Normalspannung auf die Gesteinsprobe aufzutragen und aufrechtzuerhalten.
- Wenden Sie die Scherspannung bei konstanter Verdrängungsrate, in der Regel 10 μm/s, über den vertikalen servogesteuerten Hydraulikkolben an.
HINWEIS: Die Lasten werden über zwei DMS-Wägezellen (Genauigkeit 0,03 kN) gemessen, die zwischen dem Stößel und der Probenbaugruppe positioniert sind. Horizontale und vertikale Verschiebungen werden mit LVDT (linear variable differential transducers) mit einer Genauigkeit von 0,1 μm gemessen, referenziert am Lastrahmen und der Oberseite des Stößels27,28. - Charakterisieren Sie alle Experimente durch eine anfängliche Dehnungshärtung, bei der die Scherspannung während der elastischen Belastung vor einer Streckgrenze schnell ansteigt, gefolgt von einer Scherung bei einem stationären Wert der Reibungsspannung.
4. Postexperimentelle Probenentnahme
- Am Ende des Reibungstests extrahieren Sie vorsichtig den experimentellen Fehler. Gummibänder oder Klebeband können vor dem Lastentnahme auf die Probe aufgebracht werden, um die Integrität der verformten Gesteine zu erhalten.
- Die Gesteinsproben mit Epoxidharz imprägnieren. Wenn möglich, sollten Sie bei Pulverexperimenten eine Vakuumimprägnierung vermeiden, um eine Beschädigung der ursprünglichen Mikrostruktur durch den erzwungenen Fluss des Harzes in die Probe zu verhindern.
- Schneiden Sie diese Gesteinsproben parallel zur experimentellen Scherrichtung. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die experimentelle Scherrichtung zu verfolgen. In unserer doppelten Direktscherkonfiguration werden die Oberflächen der Stahlgleitblöcke in Kontakt mit Fugenschichten mit 0,8 mm hohen Rillen und einem Abstand von 1 mm bearbeitet, um ein Verrutschen an der Grenzfläche zwischen Fugen und Stahl zu vermeiden und eine Scherverformung innerhalb der Fugen zu gewährleisten, daher ist in unseren Experimenten die Scherrichtung senkrecht zu den Rillen.
- Bauen Sie dünne Schnitte aus den Schnitten für mikrostrukturelle Studien.
5. Mikrostrukturanalyse
- Untersuchen Sie mit einem optischen Mikroskop, um die Mikrostruktur der Bulk-Fault-Zone zu charakterisieren.
- Verwenden Sie ein Rasterelektronenmikroskop (REM), um die wichtigsten Verformungsprozesse zu untersuchen.
- Verwenden Sie ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM), um Details über die Verformungsprozesse auf der Nanoskala zu erhalten. Details zur Durchführung der Mikrostrukturanalyse finden Sie in früheren Publikationen4,5,6,7,8,9,10,29.
Representative Results
In einem Diagramm von Normalspannung vs. Scherspannung werden sowohl feste blattförmige als auch pulverförmige Proben entlang einer Linie dargestellt, die mit einer spröden Versagenshülle übereinstimmt, aber die festen Wafer haben Reibungswerte deutlich niedriger als ihre pulverförmigen Analoga30. Beispielsweise haben im speziellen Fall einer talkumreichen Foliation foliierte Verwerfungsgesteine bei jeder Normalspannung einen Reibungskoeffizienten, der 0,2-0,3 niedriger ist als die daraus hergestellten Pulver (Abbildung 2 und12). Die geringere Reibung wird durch mikrostrukturelle Untersuchungen der getesteten Gesteine erklärt, die zeigen, dass die Gleitflächen der belaubten festen Wafer entlang der bereits vorhandenen phyllosilikatreichen Foliation auftreten. TEM-Bilder zeigen, dass der Schlupf hauptsächlich durch (001) leichtes Gleiten im Zusammenhang mit der Zwischenschichtdelamination berücksichtigt wird. Im Gegensatz dazu zeigen experimentelle Mikrostrukturen aus dem pulverförmigen Material, dass eine signifikante Verformung durch Korngrößenreduktion und Lokalisation berücksichtigt wird.
Obwohl die belaubten Wafer intakter Verwerfungsgesteine und ihre Pulver identische mineralogische Zusammensetzungen aufweisen, zeigen die foliierten Proben eine deutlich geringere Reibung als ihre pulverförmigen Analoga. Mikrostrukturelle Untersuchungen deuten darauf hin, dass die geringere Reibung (d. h. Verwerfungsschwäche) der belaubten Verwerfungsgesteine auf die Reaktivierung der bereits vorhandenen natürlichen phyllosilikatreichen Oberflächen zurückzuführen ist, die in den pulverförmigen Proben fehlen, da die Probenvorbereitungsschritte (2,2 - 2,4) sie stören.
Abbildung 1: Repräsentative Bilder der getesteten Verwerfungsgesteine: festes belaubtes vs. pulverförmiges Material. (links) Feste belaubte Proben, die parallel zur natürlichen Blattbildung geschert werden, die durch die Pfeile gekennzeichnet ist. (rechts) Pulver, die durch Zerkleinern und Sieben des festen blattförmigen Gesteins gewonnen werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Reibungstests an demselben Material (talkumreiche Blattbildung), aber festen belaubten Proben im Vergleich zu pulverförmigem Gestein. Jeder Datensatz zeichnet entlang einer Linie, die mit einer spröden Versagenshülle übereinstimmt, aber die festen belaubten Gesteine zeichnen sich durch eine deutlich geringere Reibung als ihr pulverförmiges Analogon aus, die Reibung μ = 0,3 bzw. μ = 0,57. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Natürliche vs. laborreaktivierte Foliation. Im linken Bild ein Beispiel für eine natürliche talkumreiche Blattbildung mit umgebenden sigmoidalen Calcitklasten31. Das rechte Bild zeigt die gleiche Foliation am Ende eines Reibungstests an Wafern32. Beachten Sie, dass während des Reibungstests der größte Teil des Schlupfes durch Reibungsgleiten entlang der Phyllosilikatschichten auftritt und dass die ursprüngliche Mikrostruktur erhalten bleibt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Discussion
Ein wichtiger erwähnenswerter Punkt ist, dass wir mit diesem Verfahren die stationäre Fehlerreibfestigkeit charakterisieren, gemessen mit Experimenten bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten (d.h. 0,01 μm/s < v < 100 μm/s). Die gemessenen niedrigen Reibungswerte zeigen die Schwäche von phyllosilikatreichen Fehlern, die sich aus der langfristigen flüssigkeitsgestützten Reaktionserweichung und Derolierungsentwicklungergeben 1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Diese geringe Reibungsfestigkeit kann als Proxy verwendet werden, um die Fehlerfestigkeit im stationären Zustand oder während der präseismischen Phasen des seismischen Zyklus zu bewerten. Daher werden die wichtigen dynamischen Schwächungsmechanismen, die bei hohen Gleitgeschwindigkeiten (d.h. > 10 cm/s) auftreten und durch Temperaturanstieg33 induziert werden, in unserer Analyse nicht berücksichtigt.
Die kritischen Schritte im Protokoll betrifft die Probenentnahme und -vorbereitung. Da sich Phyllosilicate durch eine sehr geringe Zugfestigkeit in Richtung senkrecht zu den (001) Basalebenen (d.h. in Richtung senkrecht zur Blattbildung) auszeichnen, fallen bei der Arbeit mit Hammer und Meißel im Feld oder mit dem Handschleifer im Labor nicht selten die Gesteinsproben auseinander und der Formgebungsprozess muss neu gestartet werden. Daher wird dringend empfohlen, mehr Proben zu sammeln, als unbedingt erforderlich sind, um Experimente durchzuführen und sich mit Geduld zu bewaffnen.
Vor der Integration mechanischer mit mikrostruktureller Daten ist es wichtig zu überprüfen, ob das Reibungsgleiten entlang der phyllosilikatreichen Blatte, die entlang natürlicher Verwerfungsgesteine beobachtet werden, im Labor reproduziert wird, oder mit anderen Worten, dass die natürliche Verwerfungsgesteinsmikrostruktur derjenigen ähnelt, die durch Scheren des Wafers erhalten wird (Abbildung 3).
In Experimenten an festen Wafern, die durch dünne Netzwerke von Phyllosilicates gekennzeichnet sind, können die kontinuierlichen Schichten schwacher Mineralphasen während signifikanter Scherung (Verdrängung > 12 mm) verbraucht werden. In diesem Stadium wird die Verformung durch eine Kombination aus Kataklasis der starken Mineralphasen und Gleiten entlang der Phyllosilicate berücksichtigt. Dies fällt mit einer Phase der Dehnungshärtung mit einer Erhöhung der Reibung von etwa 0,1 oder mehr13zusammen.
Die meisten Gesteinsverformungsexperimente, die auf die Charakterisierung der Reibungseigenschaften tektonischer Verwerfungen abzielen, werden an millimetrischen Gesteinsschichten durchgeführt, die aus Pulvern bestehen, die durch Zerkleinern und Sieben natürlicher Verwerfungsgesteine24,27 erhalten werden, oder auf Verwerfungsgesteinen, die vorgeschnitten sind34. Diese Art von Experimenten sind grundlegend, um die Reibungseigenschaften von Fehlern zu charakterisieren, bei denen die Verformung an Fehlerrillen35 oder entlang scharfer Gleitebenen lokalisierter Verformung36auftritt. Bei phyllosilikatreichen Fehlern hängt eine geringe Reibung und damit Fehlerschwäche mit der Interkonnektivität der phyllosilikatreichen Netzwerke zusammen, die sich im Feld durch mehrere anastomosierende Hauptschlupfzonen manifestiert. Dies deutet darauf hin, dass bereits eine kleine Menge von Phyllosilicaten eine signifikante Fehlerschwächung auslösen kann, wenn ihre Interkonnektivität sehr hoch ist37,38. Daher ist das Endziel unserer Laborexperimente an festen Wafern, die natürliche Kontinuität der phyllosilikatreichen Schichten bei Reibungstests zu erhalten.
Andere Laborexperimente an pulverförmigen Mischungen aus starken und schwachen Mineralphasen haben eine Fehlerschwächung durch Zugabe der schwachen Phasen18,19,20,21,22dokumentiert. Es wurde beobachtet, dass Mengen von 40-50% der Phyllosilicate eine signifikante Verringerung der Reibung induzieren, da sie während des Scherens miteinander verbunden werden. Dies deutet darauf hin, dass für große Prozentsätze von Phyllosilicates (d.h. > 40%) Experimente an Wafern oder Pulvern ähnlich sind25.
Eine Zusammenstellung von Reibungsversuchen, die an einer großen Anzahl von natürlichen Verwerfungsgesteinen durchgeführt wurden, die reich an Phyllosilicates, Wafern oder pulverförmigem Material mit Phyllosilikaratenanteilen > 40% sind, unter einer Vielzahl von experimentellen Bedingungen zeigen, dass die Reibung im Bereich von 0,1-0,330 liegt. Dies bedeutet, dass eine signifikante Anzahl von Krustenfehlern schwach ist.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preiszugeben.
Acknowledgments
Wir danken Marco Albano für die Bereitstellung des Videos über optisches Mikroskop und REM und Domenico Mannetta für das Gesteinsschneiden. Diese Forschung wurde durch den ERC Grant GLASS n° 259256 und TECTONIC n° 835012 unterstützt. Dieser Beitrag wurde durch die Kommentare von drei anonymen Rezensenten und durch die redaktionellen Produktionsvorschläge zum Video stark verbessert.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| disk mill | Plenty of companies | none | Standard disk mills to pulverize rocks |
| fault rock | Natural outcrops | none | All the outcrops rich in phyllosilicates worldwide |
| hammer and chisel | Plenty of companies | none | Standard hammer and chisel used by geologists |
| optical microscope | Plenty of companies | none | Standard microscope used for mineralogy |
| rock deformation apparatus | we use prototypes like BRAVA & BRAVA2.0 | none | Rock deformation apparatuses (Marone et al., 1998; Collettini et al., 2014) |
| saw to cut rocks | Plenty of companies | none | Standard saws to cat fault rocks |
| SEM, scanning electron microscope | Plenty of companies | none | Microscope to investigate microstructures at the micron scale |
| TEM, transmission electron microscope | Plenty of companies | none | Microscope to investigate microstructures at the nano scale |
References
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