Summary
L'attrito delle faglie ricche di fillosilicati tranciate nella loro geometria in situ è significativamente inferiore all'attrito dei loro equivalenti in polvere.
Abstract
Molti esperimenti di deformazione delle rocce utilizzati per caratterizzare le proprietà di attrito delle faglie tettoniche vengono eseguiti su rocce di faglia in polvere o su superfici rocciose nude. Questi esperimenti sono stati fondamentali per documentare le proprietà di attrito delle fasi minerali granulari e fornire prove di faglie crostali caratterizzate da un elevato attrito. Tuttavia, non possono catturare interamente le proprietà di attrito di faglie ricche di fillosilicati.
Numerosi studi su faglie naturali hanno documentato l'ammorbidimento della reazione assistita da fluidi che promuove la sostituzione di minerali forti con fillosilicati che vengono distribuiti in foliazioni continue. Per studiare come questi tessuti fogliati influenzano le proprietà di attrito delle faglie abbiamo: 1) raccolto rocce foliate ricche di fillosilicati da faglie naturali; 2) tagliare i campioni di roccia di faglia per ottenere wafer solidi di 0,8-1,2 cm di spessore e 5 cm x 5 cm di area con la foliazione parallela alla faccia 5x5cm del wafer; 3) eseguito prove di attrito sia su wafer solidi tranciati nella loro geometria in situ che su polveri, ottenute schiacciando e setacciando e quindi interrompendo la foliazione degli stessi campioni; 4) recuperato i campioni per studi microstrutturali dai campioni di roccia post esperimento; e 5) ha eseguito analisi microstrutturali tramite microscopia ottica, microscopia elettronica a scansione e trasmissione.
I dati meccanici mostrano che i campioni solidi con foliazione ben sviluppata mostrano un attrito significativamente inferiore rispetto ai loro equivalenti in polvere. Studi micro e nanostruttruttici dimostrano che il basso attrito deriva dallo scivolamento lungo le superfici di foliazione composte da fillosilicati. Quando le stesse rocce sono in polvere, la resistenza all'attrito è elevata, perché lo scorrimento è alloggiato dalla fratturazione, dalla rotazione del grano, dalla traslazione e dalla dilatazione associata. I test di attrito indicano che le rocce di faglia fogliate possono avere un basso attrito anche quando i fillosilicati costituiscono solo una piccola percentuale del volume totale della roccia, il che implica che un numero significativo di faglie crostali è debole.
Introduction
L'obiettivo generale di questa procedura è quello di testare le proprietà di attrito di faglie intatte ricche di fillosilicati tranciate nella loro geometria in situ e di dimostrare che il loro attrito è significativamente inferiore all'attrito ottenuto da esperimenti condotti su polveri dello stesso materiale.
Numerosi studi geologici hanno documentato l'ammorbidimento della reazione assistita da fluido durante l'evoluzione a lungo termine delle faglie tettoniche. L'ammorbidimento avviene mediante la sostituzione di minerali forti, come quarzo, feldspato, calcite, dolomite, olivina, pirosseno, con fillosilicati deboli1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Questo indebolimento ha origine a grana scala ed è dovuto principalmente allo scorrimento, a bassissimo attrito, lungo le foliae fillosilicate che agiscono insieme per produrre una forma di lubrificazione. Dalla scala dei grani, l'indebolimento della faglia viene trasmesso all'intera zona di faglia attraverso l'interconnettività delle zone ricche di fillosilicati11. Per catturare il ruolo dello scorrimento per attrito lungo foliae fillosilicato interconnesse, wafer solidi intatti di campioni naturali di faglia-roccia sono stati tranciati nella loro geometria in situ durante gli esperimenti di deformazione della roccia12,13,14. Alla fine dell'esperimento, sono stati eseguiti studi microstrutturali sui campioni testati per verificare se effettivamente la deformazione è stata accolta dallo scorrimento per attrito lungo la foglia di fillosilicato.
Rispetto ai tradizionali test di attrito eseguiti su materiali in polvere ottenuti dalla frantumazione e dalla setacciatura della roccia di faglia, gli esperimenti su wafer intatti possono catturare lo scorrimento per attrito lungo gli strati interconnessi ricchi di fillosilicati formati da un ammorbidimento della reazione assistita da fluido. Infatti, durante il processo di preparazione della polvere, la frantumazione e la setacciatura della roccia di faglia interrompe la connettività degli strati fillosilicati e quando il materiale viene tranciato in laboratorio, l'assenza di orizzonti fillosilicati continui favorisce una deformazione costituita principalmente da frantumazione, rotazione e traslazione del grano con conseguente elevato attrito.
Gli esperimenti su wafer solidi mostrano un attrito significativamente inferiore rispetto agli esperimenti su materiale in polvere ottenuto dallo stesso tipo di roccia, in particolare quando la percentuale dei fillosilicati è < 40%15. Con l'aumento dell'abbondanza di fillosilicati, è stata documentata una riduzione dell'attrito anche per prove su materiale in polvere, poiché in questo caso il grande volume di fillosilicati è sufficiente a promuovere l'interconnettività delle fasi minerali deboli attraverso l'intera faglia sperimentale16,17, 18,19,20,21,22. In alternativa, per simulare lo scorrimento per attrito sugli strati deboli interconnessi, sono stati eseguiti altri tipi di prove di attrito su polveri composte da fasi minerali deboli al 100%23,24,25.
L'indebolimento geometrico della faglia promosso dal tessuto roccioso in esperimenti di deformazione ad alta temperatura, e quindi rappresentativo della litosfera duttile, è ben noto da molti anni26. I risultati ottenuti dalla procedura qui presentata indicano che il tessuto fillosilicato favorisce l'indebolimento della faglia anche per un gran numero di difetti contenuti all'interno della crosta superiore sismogenica.
Protocol
1. Raccolta di campioni rock
- In un affioramento ben esposto di una faglia naturale ricca di fillosilicati, selezionare la giusta esposizione (roccia di faglia ben conservata lungo un piano contenente la linea di faglia) dove raccogliere un campione di roccia rappresentativo per gli esperimenti. Fare attenzione a selezionare una roccia di faglia con una spaziatura di foliazione non più grande di pochi millimetri. Questo viene fatto per catturare orizzonti fillosilicati in wafer rettangolari fino a 1,5 cm di spessore che verranno tranciati durante gli esperimenti di attrito.
- Utilizzare un martello e uno scalpello per ottenere un campione di roccia di faglia con un'area di circa 10 cm x 10 cm e uno spessore superiore a 3 cm.
- Contrassegnare il senso di taglio sul campione di roccia, in base agli indicatori cinematici osservati sul campo (ad esempio, slickensides, foliazioni, pieghe di trascinamento, ecc.).
NOTA: L'area del campione può essere inferiore a 10 cm x 10 cm, ma deve essere più grande di 5 cm x 5 cm che è la dimensione dei blocchi di forzatura dell'apparato sperimentale.
ATTENZIONE: I campioni di roccia fogliata sono molto friabili e quindi dopo la raccolta può essere utile avvolgere il campione con del nastro adesivo o di un film plastico. È obbligatorio che i campioni raccolti non siano alterati dagli agenti atmosferici e quindi che queste rocce rappresentino la roccia di faglia a profondità sismogenica.
2. Preparazione del campione per esperimenti di attrito nella configurazione a doppio taglio diretto
- Tagliare il campione di roccia per ottenere wafer rettangolari che si adattino ai blocchi di forzatura dell'apparato di deformazione della roccia. Questo di solito si ottiene in due fasi: nella prima fase, utilizzare una sega da laboratorio standard per ottenere un campione di roccia leggermente più grande dei blocchi di forzatura; in secondo luogo utilizzare una lama rotante ad alta precisione o una smerigliatrice manuale per modellare wafer di 5 cm x 5 cm di area e 0,8-1,2 cm di spessore (Figura 1, a sinistra). Per una prova standard di taglio a doppia diretta, saranno necessari due wafer della stessa roccia per eseguire un singolo esperimento. Durante la procedura di taglio e modellatura, assicurarsi che i piani di taglio naturali ricchi di fillosilicati contenuti nel campione siano mantenuti paralleli alla superficie dei blocchi di forzatura. Ciò significa che la foliazione è parallela alla faccia di 5 cm x 5 cm del wafer.
- Utilizzare un mulino a disco per schiacciare il materiale rimanente dal taglio dei campioni intatti e setacciare il materiale per ottenere polveri con una granulometria <125 μm (Figura 1, a destra).
- Montare due wafer identici su blocchi di forzatura in acciaio inossidabile con area di contatto di attrito nominale di 5 cm × 5 cm e quindi assemblarli con il blocco di forzatura centrale per comporre la configurazione simmetrica a doppio taglio diretto.
NOTA: È importante che il senso di taglio imposto dalla macchina sul campione coincida con il senso naturale di taglio registrato sul wafer e contrassegnato al punto 1.3. - Utilizzare le polveri per costruire due strati di roccia identici con spessore di circa 5 mm e area di 5 cm x 5 cm2. Per questi campioni di roccia in polvere, la foliazione naturale viene distrutta dalla procedura di preparazione del campione con un mulino a disco. Utilizzare una maschera di livellamento precisa per ottenere uno strato di roccia uniforme e riproducibile composto da materiale in polvere. Componete il gruppo simmetrico a doppio taglio diretto.
3. Esperimenti di attrito
- In un apparecchio biassiale27,28 utilizzare il pistone idraulico servocomandato orizzontale per applicare e mantenere una tensione normale costante al campione di roccia.
- Applicare lo sforzo di taglio a velocità di spostamento costante, di solito 10 μm/s, tramite il pistone idraulico servocontrollato verticale.
NOTA: i carichi vengono misurati tramite due celle di carico estensimetriche (precisione 0,03 kN) posizionate tra la ram e il gruppo campione. Gli spostamenti orizzontali e verticali sono misurati da LVDT (trasduttori differenziali variabili lineari), con una precisione di 0,1 μm, riferiti al telaio di carico e al lato superiore della ram27,28. - Caratterizzare tutti gli esperimenti con un indurimento iniziale della deformazione, in cui lo sforzo di taglio aumenta rapidamente durante il carico elastico, prima di un punto di snervamento, seguito da taglio a un valore stazionario di sollecitazione per attrito.
4. Raccolta di campioni post-sperimentali
- Al termine della prova di attrito, estrarre con cura il guasto sperimentale. Elastici o nastro adesivo possono essere applicati al campione prima della rimozione del carico per mantenere l'integrità delle rocce deformate.
- Impregnare con resina epossidica i campioni di roccia. Se possibile per gli esperimenti in polvere, evitare l'impregnazione sottovuoto per evitare danni alla microstruttura originale dal flusso forzato della resina nel campione.
- Tagliare questi campioni di roccia parallelamente alla direzione di taglio sperimentale. Esistono diversi modi per tracciare la direzione di taglio sperimentale. Nella nostra configurazione a doppio taglio diretto, le superfici dei blocchi di scorrimento in acciaio a contatto con strati di sgorbia sono lavorate con scanalature alte 0,8 mm e distanziate di 1 mm per evitare lo scivolamento all'interfaccia tra sgorbie e acciaio e per garantire la deformazione a taglio all'interno delle sgorbie, quindi nei nostri esperimenti la direzione di taglio è perpendicolare alle scanalature.
- Costruisci sezioni sottili dai tagli per studi microstrutturali.
5. Analisi microstrutturale
- Indagare con un microscopio ottico per caratterizzare la microstruttura della zona di faglia di massa.
- Utilizzare un microscopio elettronico a scansione (SEM) per studiare i principali processi di deformazione.
- Utilizzare un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) per ottenere dettagli sui processi di deformazione su scala nanometrica. Dettagli su come eseguire l'analisi microstrutturale possono essere trovati nelle precedenti pubblicazioni4,5,6,7,8,9,10,29.
Representative Results
In un diagramma di stress normale rispetto allo sforzo di taglio, sia i campioni solidi fogliati che quelli in polvere tracciano lungo una linea coerente con un involucro di guasto fragile, ma i wafer solidi hanno valori di attrito significativamente inferiori ai loro analoghi in polvere30. Ad esempio, nel caso specifico di una foliazione ricca di talco, le rocce di faglia fogliate ad ogni normale sollecitazione hanno un coefficiente di attrito inferiore di 0,2-0,3 rispetto alle polveri da esse ricavate (Figura 2 e12). L'attrito inferiore è spiegato da studi microstrutturali delle rocce testate che dimostrano che le superfici di scorrimento dei wafer solidi fogliati si verificano lungo la foliazione ricca di fillosilicati preesistente. Le immagini TEM mostrano che lo slittamento è principalmente alloggiato da (001) facile scorrimento associato alla delaminazione interstrato. Al contrario, le microstrutture sperimentali del materiale in polvere mostrano che una deformazione significativa è adattata dalla riduzione e dalla localizzazione delle dimensioni dei grani.
Sebbene i wafer fogliati di rocce di faglia intatte e le loro polveri abbiano composizioni mineralogiche identiche, i campioni fogliati mostrano un attrito significativamente inferiore rispetto ai loro analoghi in polvere. Studi microstrutturali indicano che il minore attrito (cioè la debolezza della faglia) delle rocce di faglia fogliate è dovuto alla riattivazione delle superfici naturali preesistenti ricche di fillosilicati che sono assenti nei campioni in polvere poiché le fasi di preparazione del campione (2.2 - 2.4) le interrompono.
Figura 1: Immagini rappresentative delle rocce di faglia testate: materiale fogliato solido vs. materiale in polvere. (sinistra) Campioni fogliati solidi tranciati parallelamente alla foliazione naturale contrassegnata dalle frecce. (destra) Polveri ottenute dalla frantumazione e setacciatura della solida roccia fogliata. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Prove di attrito sullo stesso materiale (foliazione ricca di talco) ma campioni fogliati solidi rispetto alla roccia in polvere. Ogni set di dati traccia lungo una linea coerente con un involucro di guasto fragile, ma le rocce fogliate solide sono caratterizzate da attrito significativamente inferiore al loro analogo in polvere, attrito, μ = 0,3 e μ = 0,57 rispettivamente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Foliazione naturale vs. riattivata in laboratorio. Nell'immagine a sinistra un esempio di una foliazione naturale ricca di talco con clasti sigmoidali circostanti di calcite31. L'immagine a destra mostra la stessa foliazione alla fine di una prova di attrito su wafer32. Si noti che durante il test di attrito la maggior parte dello slittamento avviene per attrito scorrendo lungo gli strati fillosilicati e che la microstruttura originale viene preservata. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Un punto importante degno di nota è che con questa procedura caratterizziamo la resistenza all'attrito della faglia allo stato stazionario, misurata con esperimenti a basse velocità di scorrimento (cioè 0,01 μm/s < v < 100 μm/s). I bassi valori di attrito misurati dimostrano la debolezza delle faglie ricche di fillosilicati derivanti dall'ammorbidimento della reazione assistita da fluido a lungo termine e dallo sviluppo della foliazione1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Questa bassa resistenza all'attrito può essere utilizzata come proxy per valutare la resistenza della faglia allo stato stazionario o durante le fasi pre-sismiche del ciclo sismico. Pertanto, gli importanti meccanismi di indebolimento dinamico che si verificano ad alte velocità di scivolamento (cioè > 10 cm / s) e indotti dall'aumento della temperatura33 non sono considerati nella nostra analisi.
I passaggi critici del protocollo riguardano la raccolta e la preparazione dei campioni. Poiché i fillosilicati sono caratterizzati da una resistenza alla trazione molto bassa nella direzione perpendicolare ai piani basali (001) (cioè nella direzione perpendicolare alla foliazione), durante il lavoro con il martello e lo scalpello in campo o con la smerigliatrice a mano in laboratorio, molto spesso i campioni di roccia cadono a pezzi e il processo di modellatura deve ricominciare. Pertanto, si consiglia vivamente di raccogliere più campioni di quelli strettamente necessari per eseguire esperimenti e armarsi di pazienza.
Prima di integrare la meccanica con i dati microstrutturali, è importante verificare che lo scorrimento per attrito lungo la foglia ricca di fillosilicati osservato lungo le rocce di faglia naturali sia riprodotto in laboratorio, o in altre parole che la microstruttura della roccia di faglia naturale sia simile a quella ottenuta dal taglio del wafer (Figura 3).
In esperimenti su wafer solidi caratterizzati da sottili reti di fillosilicati, gli strati continui di fasi minerali deboli possono essere consumati durante una tranciatura significativa (spostamento > 12 mm). In questa fase la deformazione è accomodata da una combinazione di cataclassi delle fasi minerali forti e scorrimento lungo i fillosilicati. Questo coincide con una fase di indurimento della deformazione con un aumento dell'attrito di circa 0,1 o più13.
La maggior parte degli esperimenti di deformazione delle rocce, finalizzati alla caratterizzazione delle proprietà di attrito delle faglie tettoniche, vengono eseguiti su strati rocciosi millimetrici che sono composti da polveri ottenute schiacciando e setacciando rocce di faglia naturale24,27 o su rocce di faglia che sono pre-tagliate34. Questi tipi di esperimenti sono fondamentali per caratterizzare le proprietà di attrito delle faglie in cui la deformazione si verifica su sgorbie di faglia35 o lungo piani di scivolamento affilati di deformazione localizzata36. Per le faglie ricche di fillosilicati, il basso attrito e quindi la debolezza della faglia è correlata all'interconnettività delle reti ricche di fillosilicati, che nel campo si manifesta con più zone di scorrimento principali anastomosi. Ciò indica che anche una piccola quantità di fillosilicati può indurre un significativo indebolimento della faglia se la loro interconnettività è molto alta37,38. Pertanto, l'obiettivo finale dei nostri esperimenti di laboratorio su wafer solidi è quello di preservare la naturale continuità degli strati ricchi di fillosilicati durante i test di attrito.
Altri esperimenti di laboratorio su miscele in polvere di fasi minerali forti e deboli hanno documentato l'indebolimento della faglia con l'aggiunta delle fasi deboli18,19,20,21,22. È stato osservato che quantità del 40-50% di fillosilicati inducono una significativa riduzione dell'attrito perché durante la tosatura diventano interconnesse. Ciò suggerisce che per grandi percentuali di fillosilicati (cioè > 40%), gli esperimenti su wafer o polveri sono simili25.
Una raccolta di prove di attrito condotte su un gran numero di rocce di faglia naturali ricche di fillosilicati, wafer o materiale in polvere con percentuali di fillosilicati > 40%, in una vasta gamma di condizioni sperimentali mostra che l'attrito è nell'intervallo 0,1-0,330. Ciò implica che un numero significativo di faglie crostali è debole.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Si prega di riconoscere Marco Albano per aver fornito il video che si occupa di microscopio ottico e SEM e Domenico Mannetta per la procedura di taglio della roccia. Questa ricerca è stata supportata dal GRANT GLASS n° 259256 e TECTONIC n° 835012. Questo contributo è stato notevolmente migliorato dai commenti di tre recensori anonimi e dai suggerimenti di produzione editoriale sul video.
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 |
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