Die Rolle des Gewebes bei den Reibungseigenschaften phyllosilikatreicher tektonischer Verwerfungen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Reibungseigenschaften von Phyllosilicaten mit Fehlern in der In-situ-Geometrie zu testen und zu zeigen, dass diese Reibung signifikant niedriger ist als die Reibung von Pulvern, die mit demselben Material erhalten werden. Während der langfristigen Entwicklung tektonischer Verwerfungen haben zahlreiche geologische Studien eine flüssigkeitsunterstützte Reaktionserweichung dokumentiert, die den Ersatz starker und körniger Mineralien durch Phyllosilikate fördert. Insbesondere Frakturierungsprozesse entlang von Fehlern erhöhen die Durchlässigkeit und erleichtern den Zustrom von wasserhaltigen Flüssigkeiten in die Fehlerzone.

Flüssigkeiten reagieren mit feinkörnigem Gestein und fördern die Auflösung der starken Mineralien wie Quarz, Feldspat und Calcit. Sie werden zu platy Phyllosilicates und bilden foliierte Mikrostrukturen, wie sie hier in Grün dargestellt werden. Der Schlupf entlang der Phyllosilikate aus der Mikroskala wird über die Interkonnektivität der phyllosilikatreichen Scherzonen auf die gesamte Fehlerzone übertragen.

Dies ist ein Beispiel für die Kontinuität der Scherzone der Phyllosilikaten auf der Aufschlussskala, die bis zu krustenskaligen Verwerfungen mit Dicken von mehr als 100 Metern ausgedehnt werden kann. Entlang einer phyllosilikatreichen Verwerfung wie dieser hat die tonische Scherung die Phyllosilikatausrichtung erzeugt, die diese Verwerfungsgesteinsanisotropie erzeugt. Um die Rolle der Anisotropie bei den Reibungseigenschaften der Verwerfung zu berücksichtigen, müssen wir die richtigen Gesteinsproben sammeln.

Dazu müssen wir eine repräsentative Gesteinsprobe sammeln, und innerhalb des Aufschlusses wählen wir einen Teil aus, in dem die kinematischen Indikatoren am besten erhalten sind. Und dann verwenden wir einen Meißel und einen Hammer, um die Gesteinsprobe zu sammeln. Sobald die Gesteinsprobe gesammelt wurde, markieren wir den Schersinn und bringen die Gesteinsprobe dann für das Experiment ins Labor.

Mit diesem Verfahren schneiden wir die Gesteinsproben, um Wafer zu erhalten, die zu den Antriebsblöcken der Gesteinsverformungsapparatur passen. Dies wird in der Regel in 2 Schritten erreicht. Im ersten Schritt verwenden wir eine Standard-Laborsäge, um Gesteinsproben zu erhalten, die etwas größer sind als die Forzblöcke.

Zweitens verwenden wir eine hochpräzise Drehklinge oder einen Handschleifer, um die Wafer so zu formen, dass sie 5 mal 5 Zentimeter groß und etwa 1 Zentimeter dick sind. Aus dem gleichen Stück Gestein verwenden wir eine Scheibenmühle, um ein körniges Material zu erhalten, das gesiebt wird, um die gewünschte Korngröße zu erreichen, normalerweise unter 125 Mikrometern. Die 2 identischen Wafer sind auf Edelstahl-Antriebsblöcken mit einer nominalen Reibungskontaktfläche von 5 x 5 Zentimetern montiert und werden dann mit einem zentralen Antriebsblock zusammengebaut, um die symmetrische, doppelnichte Konfiguration zu bilden.

Auf die gleiche Weise werden die Pulver verwendet, um 2 identische Schichten zu konstruieren, deren Dicke etwa 5 Millimeter beträgt und deren Kontaktfläche 5 mal 5 Zentimeter beträgt. Diese werden dann verwendet, um eine ähnliche Doppel-Direktscherkonfiguration zu erstellen. An diesem Punkt ist die Doppel-Direktscherkonfiguration in unserem biaxianen Apparat positioniert, und wir sind bereit, das Reibungsexperiment zu starten.

Wir verwenden einen servogesteuerten Hydraulikkolben, um eine konstante Normalbelastung der Gesteinsprobe aufzutragen und aufrechtzuerhalten. Wenn wir dann den vertikalen Stößel vorrücken, wenden wir eine Scherspannung mit konstanter Gleitgeschwindigkeit an; sie beträgt normalerweise 10 Mikrometer pro Sekunde. Die meisten Experimente zeichnen sich durch eine anfängliche Dehnungshärtung aus, bei der die Scherspannung bei elastischer Belastung schnell ansteigt, gefolgt von einer Scherspannung im steadyen Zustand.

Das Verhältnis von Scherspannung zu Normalspannung gibt uns den Reibungskoeffizienten. Am Ende des Reibungstests extrahieren wir sorgfältig die experimentelle Verwerfung, imprägnieren die Gesteinsprobe mit Epoxidharz, schneiden die Probe in eine Richtung parallel zum Schersinn und bauen dünne Abschnitte aus den Schnitten für Mikrostrukturstudien. Wir verwenden ein optisches Mikroskop, um die Massenfehler an der Mikrostruktur zu charakterisieren.

Wir analysieren Mikrostrukturen mit einem Rasterelektronenmikroskop, um die wichtigsten Verformungsprozesse zu untersuchen. Mit einem Transmissionselektronenmikroskop erhalten wir Details über Verformungsprozesse bis in die Nanoskala. In einem Diagramm von Normalspannung versus Scherspannung zeichnen sowohl die festen belaubten Wafer als auch die Pulverproben entlang der Linie auf, konsistent mit einer spröden Versagenshülle.

Die festen Wafer haben jedoch einen deutlich niedrigeren Reibungswert als die pulverförmigen Analoga. Insbesondere die Pulver weisen eine Reibung von etwa 0,6 auf, während die belaubten Gesteine deutlich niedrigere Werte aufweisen. Bei jeder normalen Beanspruchung haben die belaubten Gesteine einen Reibungskoeffizienten, der 0,2 bis 0,3 Einheiten niedriger ist als die daraus hergestellten Pulver.

Mikrostrukturelle Untersuchungen der getesteten Gesteine zeigen, dass die geringe Reibung der festen Wafer auf das Gleiten entlang der bereits vorhandenen, sehr feinkörnigen Foliationen aus Phyllosilicates zurückzuführen ist. TEM-Bilder zeigen, dass der Schlupf hauptsächlich durch Frakturierung, Translation und Rotation entlang der Phyllosilicate mit häufiger Delamination der inneren Schicht aufgenommen wird. Im Gegensatz dazu deuten Experimente an Pulvern darauf hin, dass ein Großteil der Verformung entlang von Zonen auftritt, die durch Frakturierung und Korngrößenreduktion bewirkt werden.

Dies führt zu höheren Reibungswerten. Dies ist eine Zusammenfassung der Reibungseigenschaften natürlicher, phyllosilikatreicher tektonischer Verwerfungen aus verschiedenen tektonischen Umgebungen. Die Daten zeigen, dass die Reibung im Bereich von 0,1 bis 0,3 liegt, und diese Reibung ist deutlich niedriger als der traditionelle Byerlee-Wert der Reibung, der aus einer großen Bandbreite von Gesteinsarten gewonnen wird, die überwiegend aus körnigen Mineralphasen bestehen.

Zusammenfassend zeigen unsere Reibungsexperimente, dass blattförmige Proben im Vergleich zu ihren pulverförmigen Äquivalenten extrem schwach sind. Mikrostrukturelle Untersuchungen deuten darauf hin, dass die geringere Reibung, also die Verwerfungsschwäche der belaubten Verwerfungsgesteine, auf die Reaktivierung der bereits vorhandenen natürlichen phyllosilikatreichen Oberflächen zurückzuführen ist. Diese Oberflächen fehlen in den pulverförmigen Proben, da der Probenvorbereitungsschritt sie zerstört.

Unsere Reibungstests an festen blatthaltigen Proben zeigen, dass eine geringe Reibung und damit Verwerfungsschwäche in Fällen auftreten kann, in denen schwache Mineralphasen nur einen kleinen Prozentsatz des gesamten Verwerfungsgesteins ausmachen, was bedeutet, dass eine signifikante Anzahl von Krustenverwerfungen schwach ist.