Name: Die Rolle des Gewebes bei den Reibungseigenschaften phyllosilikatreicher tektonischer Verwerfungen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-11-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 39 s
Description: Erfahren Sie, wie Reibungseigenschaften phyllosilikatreicher tektonischer Verwerfungen in situ gemessen werden. Foliierte Gesteinsproben zeigen deutlich niedrigere Reibungskoeffizienten als pulverisierte Äquivalente.

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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.

1. Gesteinsprobensammlung
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>2. Probenvorbereitung für Reibungsversuche in der doppelten Direktscherkonfiguration
<ol><li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>3. Reibungsexperimente
<ol><li>In einer biaxianenApparatur 27,28 wird der horizontale servogesteuerte Hydraulikkolben verwendet, um eine konstante Normalspannung auf die Gesteinsprobe aufzutragen und aufrechtzuerhalten.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>4. Postexperimentelle Probenentnahme
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Bauen Sie dünne Schnitte aus den Schnitten für mikrostrukturelle Studien.</li>
</ol>5. Mikrostrukturanalyse
<ol><li>Untersuchen Sie mit einem optischen Mikroskop, um die Mikrostruktur der Bulk-Fault-Zone zu charakterisieren.</li>
	<li>Verwenden Sie ein Rasterelektronenmikroskop (REM), um die wichtigsten Verformungsprozesse zu untersuchen.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

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.

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.

<table><tbody><tr><td>Scheibenmühle</td><td>Viele Unternehmen</td><td>keine</td><td>Standard-Scheibenmühlen zum Pulverisieren von Gesteinen</td></tr><tr><td>Verwerfungsgestein</td><td>Natürliche Aufschlüsse</td><td>keine</td><td>Alle Aufschlüsse reich an Schichtsilikaten weltweit</td></tr><tr><td>Hammer und Meißel</td> Viele <td>Unternehmen</td><td>keine Standardhammer</td><td>und Meißel für Geologen</td></tr><tr><td>optisches Mikroskop</td> Viele <td>Unternehmen</td><td>keine</td><td>Standardmikroskop Für mineralogische</td></tr><tr><td>Gesteinsverformungsapparate</td><td>verwenden wir Prototypen wie BRAVA & BRAVA2.0</td><td>keine</td><td>Gesteinsverformungsapparaturen (Marone et al., 1998; Collettini et al., 2014)</td></tr><tr><td>Säge zum Schneiden von Felsen</td><td>Viele Unternehmen</td><td>keine</td><td>Standardsägen zum Versenden von Gesteinen</td></tr><tr><td>REM, Rasterelektronenmikroskop</td><td>Viele Unternehmen</td><td>keine Mikroskop</td><td>zur Untersuchung von Mikrostrukturen auf der Mikrometerskala</td></tr><tr><td>TEM, Transmissionselektronenmikroskop</td><td>Viele Unternehmen</td><td>keine</td><td>Mikroskop zur Untersuchung von Mikrostrukturen auf der Nanoskala</td></tr></tbody></table>

die rolle des gewebes bei den reibungseigenschaften phyllosilikatreicher tektonischer verwerfungen

The Role of Fabric in Frictional Properties of Phyllosilicate-Rich Tectonic Faults

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.

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62821/62821fig01.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62821/62821fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62821/62821fig02.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62821/62821fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62821/62821fig03.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62821/62821fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

Die Reibung von phyllosilicates-reichen Fehlern, die in ihrer In-situ-Geometrie geschoren werden, ist deutlich geringer als die Reibung ihrer pulverförmigen Äquivalente.

Die Rolle des Gewebes bei den Reibungseigenschaften phyllosilikatreicher tektonischer Verwerfungen

Many rock deformation experiments used to characterize the frictional properties of tectonic faults are performed on powdered fault rocks or on bare rock ...

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.

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