Il ruolo del tessuto nelle proprietà di attrito delle faglie tettoniche ricche di fillosilicati

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di testare le proprietà di attrito dei fillosilicati, con difetti tranciati nella geometria in situ, e di dimostrare che questo attrito è significativamente inferiore all'attrito delle polveri ottenute dallo stesso materiale. Durante l'evoluzione a lungo termine delle faglie tettoniche, numerosi studi geologici hanno documentato l'ammorbidimento della reazione assistita da fluido, che promuove la sostituzione di minerali forti e granulari con fillosilicati. In particolare, i processi di fratturazione lungo le faglie aumentano la permeabilità e facilitano l'afflusso di fluidi idropo nella zona di faglia.

I fluidi reagiscono con la roccia a grana fine, promuovendo la dissoluzione dei minerali forti come quarzo, feldspato e calcite. Diventano fillosilicati platy e formano microstrutture fogliate, come quella qui presentata in verde. Lo scivolamento lungo i fillosilicati dalla microscala viene trasmesso all'intera zona di faglia attraverso l'interconnettività delle zone di taglio ricche di fillosilicati.

Questo è un esempio della continuità della zona di taglio fillosilicato alla scala affiorante, che può essere estesa fino a faglie a scala crostale con spessori superiori a 100 metri. Lungo una faglia ricca di fillosilicati come questa, la tonica cesoiatura ha prodotto l'allineamento del fillosilicato, producendo questa faglia di anisotropia della roccia. Per tenere conto del ruolo dell'anisotropia nelle proprietà di attrito della faglia, dobbiamo raccogliere i giusti campioni di roccia.

Per fare ciò, dobbiamo raccogliere un campione di roccia rappresentativo e, all'interno dell'affioramento, selezioniamo una porzione in cui gli indicatori cinematici sono meglio conservati. E poi usiamo uno scalpello e un martello per raccogliere il campione di roccia. Una volta che il campione di roccia è stato raccolto, segniamo il senso di taglio, quindi portiamo il campione di roccia al laboratorio per l'esperimento.

Con questa procedura, tagliamo i campioni di roccia per ottenere wafer che si adattano ai blocchi di forzatura dell'apparato di deformazione della roccia. Questo di solito si ottiene in 2 passaggi. Nella prima fase, utilizziamo una sega da laboratorio standard per ottenere campioni di roccia leggermente più grandi dei blocchi di forzatura.

In secondo luogo, utilizziamo una lama rotante ad alta precisione, o una smerigliatrice manuale, per modellare i wafer in modo che abbiano un'area di 5 per 5 centimetri e uno spessore di circa 1 centimetro. Dallo stesso pezzo di roccia, utilizziamo un mulino a disco per ottenere un materiale granulare che viene setacciato per raggiungere la granulometria desiderata, solitamente inferiore a 125 micron. I 2 wafer identici sono montati su blocchi di forzatura in acciaio inossidabile con un'area di contatto di attrito nominale di 5 per 5 centimetri, e quindi sono assemblati con un blocco di forzatura centrale per comporre la configurazione simmetrica e a doppia direzione.

Allo stesso modo, le polveri vengono utilizzate per costruire 2 strati identici il cui spessore è di circa 5 millimetri e la cui area di contatto è di 5 per 5 centimetri. Questi vengono quindi utilizzati per comporre una configurazione simile a doppio taglio diretto. A questo punto, la configurazione a doppio taglio diretto è posizionata all'interno del nostro apparato biassiale e siamo pronti per iniziare l'esperimento di attrito.

Utilizziamo un pistone idraulico servocontrollato per applicare e mantenere una sollecitazione normale costante sul campione di roccia. Quindi, avanzando la ram verticale, applichiamo lo stress di taglio a velocità di scorrimento costante; di solito è di 10 micron al secondo. La maggior parte degli esperimenti sono caratterizzati da un indurimento iniziale della deformazione, in cui lo sforzo di taglio aumenta rapidamente durante il carico elastico, seguito dallo sforzo di taglio allo stato stazionario.

Il rapporto tra sollecitazione di taglio e sollecitazione normale ci dà il coefficiente di attrito. Al termine della prova di attrito, estraiamo con cura la faglia sperimentale, impregniamo il campione di roccia con resina epossidica, tagliamo il campione in una direzione parallela al senso di taglio e costruiamo sezioni sottili dai tagli per studi microstrutturali. Utilizziamo un microscopio ottico per caratterizzare i difetti di massa sulla microstruttura.

Analizziamo le microstrutture con un microscopio elettronico a scansione per indagare i principali processi di deformazione. Usiamo un microscopio elettronico a trasmissione per ottenere dettagli sui processi di deformazione fino alla nanoscala. In un diagramma di stress normale rispetto allo stress di taglio, sia i wafer fogliati solidi che i campioni di polvere tracciano lungo la linea, coerentemente con un involucro di guasto fragile.

Ma i wafer solidi hanno un valore di attrito significativamente inferiore rispetto agli analoghi in polvere. In particolare, le polveri mostrano un attrito di circa 0,6, mentre le rocce fogliate hanno valori significativamente più bassi. Ad ogni normale sollecitazione, le rocce fogliate hanno un coefficiente di attrito che è da 0,2 a 0,3 unità inferiore alle polveri da esse prodotte.

Studi microstrutturali delle rocce testate mostrano che il basso attrito dei wafer solidi è dovuto allo scivolamento lungo le foliazioni preesistenti a grana molto fine fatte di fillosilicati. Le immagini TEM mostrano che lo scivolamento è principalmente sistemato mediante fratturazione, traslazione e rotazione lungo i fillosilicati, con frequenti delaminature dello strato interno. Al contrario, gli esperimenti condotti sulle polveri indicano che gran parte della deformazione si verifica lungo le zone effettuate dalla fratturazione e dalla riduzione delle dimensioni dei grani.

Ciò si traduce in valori di attrito più elevati. Questo è un riassunto delle proprietà di attrito delle faglie tettoniche naturali ricche di fillosilicati provenienti da diversi ambienti tettonici. I dati mostrano che l'attrito è compreso tra 0,1 e 0,3 e questo attrito è significativamente inferiore al tradizionale valore di attrito di Byerlee ottenuto da una vasta gamma di tipi di roccia, che sono prevalentemente costituiti da fasi minerali granulari.

Per riassumere, i nostri esperimenti di attrito mostrano che i campioni fogliati sono estremamente deboli rispetto ai loro equivalenti in polvere. Studi microstrutturali indicano che il minore attrito, o in altre parole, la debolezza della faglia fogliata è dovuta alla riattivazione delle superfici naturali preesistenti ricche di fillosilicati. Queste superfici sono assenti nei campioni in polvere poiché la fase di preparazione del campione li distrugge.

I nostri test di attrito su campioni fogliati solidi mostrano che un basso attrito, e quindi la debolezza della faglia, può verificarsi nei casi in cui le fasi minerali deboli costituiscono solo una piccola percentuale della roccia di faglia totale, il che implica che un numero significativo di faglie crostali è debole.