Kinematyczne historie pasów fałdowo-naporowych są zazwyczaj oparte na dokładnych badaniach wysokiej jakości skał metamorficznych w obrębie jednego z nich. Zapewniamy nowatorską metodę zrozumienia pasów fałdowo-oporowych poprzez badanie połączeń między wgłębieniem wystającym. Analizujemy często ignorowane skały górnej skorupy ziemskiej, stosując połączone podejście do szczegółowej analizy uskoków z eksperymentalnym modelowaniem w piaskownicy.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Historia kinematyczna skrzyżowania z wgłębieniem wystającym zbadana za pomocą połączonego podejścia opartego na danych terenowych i modelowaniu w piaskownicy analogowej
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
W obrębie pasów fałdowo-oporowych, połączenia między elementami i wgłębieniami mogą zawierać kluczowe wskazówki dotyczące ogólnej historii kinematyki. Historia deformacji w obrębie tych skrzyżowań jest najlepiej zachowana w obszarach, w których arkusze oporowe rozciągają się od wystającego przez sąsiednie wgłębienie. Badamy jedno z takich węzłów w pasie fałdowo-oporowym Sevier (zachodnie Stany Zjednoczone) wzdłuż strefy poprzecznej Leamington w północnym Utah. Deformacja w obrębie tego skrzyżowania nastąpiła przez uskoki i przepływ kataklastyczny. W tym miejscu opisujemy protokół, który bada te wzorce błędów, aby lepiej zrozumieć historię kinematyczną obszaru pola. Dane o błędach są uzupełniane przez analogowe eksperymenty w piaskownicy. Badanie to sugeruje, że w szczegółach deformacja w obrębie leżącego nad nią arkusza oporowego może nie odzwierciedlać bezpośrednio leżącej pod spodem struktury piwnicy. Wykazaliśmy, że to połączone podejście terenowo-eksperymentalne jest łatwe, dostępne i może dostarczyć więcej szczegółów na temat deformacji zachowanej w skorupie niż inne, droższe metody, takie jak modelowanie komputerowe. Ponadto model piaskownicy może pomóc w wyjaśnieniu, dlaczego i w jaki sposób powstały te szczegóły. Metoda ta może być stosowana w pasach fałdowo-oporowych, gdzie skały górnej skorupy są dobrze zachowane. Ponadto można go zmodyfikować w celu zbadania dowolnej części górnej skorupy, która została zdeformowana przez mechanizmy tarcia elastycznego. Wreszcie, to połączone podejście może dostarczyć więcej szczegółów na temat tego, w jaki sposób pasy fałdowo-oporowe utrzymują krytyczne zwężenie i służą jako potencjalne cele eksploracji zasobów naturalnych.
Wprowadzenie
Pasy fałdowo-nasunięciowe składają się z wypukłości (lub segmentów), w których płaszczyzny nasunięć w sąsiednich wypukłościach są rozdzielone wklęsłościami lub strefami poprzecznymi1,2,3. Przejście z wypukłości do wklęsłości może być wyraźnie złożone, obejmując wieloaspektowy zestaw struktur, i może zawierać kluczowe wskazówki dotyczące rozwoju pasa fałdowo-nasuniętego. W niniejszej pracy szczegółowo analizujemy połączenie wypukłości z wklęsłością, wykorzystując kombinację wieloskalowych danych terenowych oraz modelu w piaskownicy, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób deformacje mogą być akomodowane w pasach fałdowo-nasuniętych.
Styk segmentu Central Utah i strefy poprzecznej Leamington stanowi idealne naturalne laboratorium do badania połączeń typu wypukły-wklęsły (salient-recess) z kilku powodów (Rycina 1). Po pierwsze, skały odsłonięte w obrębie segmentu kontynuują się nieprzerwanie w strefie poprzecznej4. Dzięki temu wzorce deformacji można śledzić w sposób ciągły i porównywać je w obrębie styku. Po drugie, skały są w zasadzie monomineraliczne, zatem zróżnicowanie wzorców uskokowych nie jest wynikiem heterogeniczności jednostek, lecz odzwierciedla ogólne fałdowanie i nasuwanie w obszarze badań4. Po trzecie, w całym obszarze badań deformacji sprzyjały mechanizmy elastyczno-tarciowe, takie jak przepływ kataklastyczny, co pozwoliło na bezpośrednie porównania mezoskalowych wzorców uskokowych4. Wreszcie, ogólny kierunek transportu pozostał stały wzdłuż całego segmentu i strefy poprzecznej; w związku z tym zmiany kierunku skrócenia nie wpłynęły na zachowane wzorce deformacji4. Wszystkie te czynniki minimalizują liczbę zmiennych, które mogły wpłynąć na deformację wzdłuż segmentu i strefy poprzecznej. W konsekwencji przypuszczamy, że zachowane struktury powstały przede wszystkim w wyniku zmiany geometrii podścielającego je fundamentu5.
Rycina 1. Przykład mapy indeksowej. Pas fałdowo-nasuwniczy Sevier w zachodniej części USA, przedstawiający główne wypukłości, segmenty, wklęsłości i strefy poprzeczne. Rycina 2 wskazana obszarem w ramce (zmodyfikowano na podstawie pracy Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Fałdowanie i nasuwanie w obrębie segmentu Central Utah oraz strefy poprzecznej Leamington miały miejsce na głębokościach < 15 km, i.e., w reżimie elastyczno-tarciowym, gdzie deformacja zachodziła głównie poprzez uskoki w skali odsłonięcia (< 1 m) oraz przepływ kataklastyczny4,6. Ponieważ transport i fałdowanie płaszcza nasunięcia odbywały się przede wszystkim w mechanizmach elastyczno-tarciowych, przewidujemy, że szczegółowa analiza uskoków może dostarczyć dalszych informacji na temat historii kinematycznej strefy poprzecznej Leamington oraz geometrii leżącego pod nią fundamentu. Aby przetestować tę hipotezę, zebraliśmy i przeanalizowaliśmy wzorce uskoków zachowane w skałach w północnej części segmentu Central Utah oraz w całej strefie poprzecznej Leamington (Ryc. 2).
Rycina 2. Przykład makroskalowej mapy topograficznej. Mapa topograficzna z cieniowaniem terenu dla obszaru zaznaczonego ramką na Rycynie 1. 4 regiony są oddzielone ciągłymi białymi liniami. Przedstawiono kontakty warstwowe między proterozoicznym kwarcytem Caddy Canyon (PCc), proterozoicznym kwarcytem Mutual (PCm) a kambryjskim kwarcytem Tintic (Ct). Linie przerywane wskazują przebieg pasm górskich na tym obszarze. Lokalizacje stanowisk zaznaczono ponumerowanymi czarnymi kwadratami. Lineacje pierwszego rzędu przedstawiono ciągłymi szarymi liniami (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
W celu porównania i uzupełnienia danych dotyczących uskoków przeprowadzono eksperymenty w piaskownicy. Do analizy struktur zachowanych w strefie poprzecznej Leamington i wokół niej (Rysunek 3) 7 wykorzystano model piaskownicy z blokiem pchającym oraz rampami frontalną i ukośną. Cele tego podejścia były czterokrotne: 1) ustalenie, czy mezoskalowe wzorce uskoków są spójne, 2) sprawdzenie, czy model piaskownicy potwierdza i wyjaśnia dane terenowe, 3) ustalenie, czy model piaskownicy dostarcza więcej szczegółów na temat struktur niezaobserwowanych w terenie oraz 4) ocena, czy ta połączona metoda terenowo-eksperymentalna jest użyteczna i łatwa do powtórzenia.
Rycina 3. Przykład modelu bloku pchającego. Fotografia pustego modelu piaskownicy. Oznaczono południową rampę czołową (SFR), rampę ukośną (OR), północną rampę czołową (NFR) oraz cztery obszary (1-4) (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Gromadzenie danych terenowych w skali makro
- Przed rozpoczęciem prac terenowych należy wykorzystać zdjęcia lotnicze/mapy topograficzne do zidentyfikowania ogólnego trendu gór (wyznaczonego przez współczesne grzbiety), stref poprzecznych, uskoków i innych lineamentów w skali makro (Rycina 2).
- Należy stosować mapy topograficzne i zdjęcia lotnicze w tej samej skali, aby umożliwić bezpośrednie porównanie wzorców. Należy używać map i zdjęć w skali 1:24,000.
- Należy oznaczyć i wyróżnić cechy w skali makro na mapach (lotniczych i/lub topograficznych), które będą wykorzystywane w terenie. Na zdjęciach lotniczych do identyfikacji cech w skali makro należy wykorzystać gwałtowne zmiany w roślinności, ponieważ wzorce roślinności odzwierciedlają podłoże skalne. Na mapach topograficznych do identyfikacji cech w skali makro należy wykorzystać gwałtowne zmiany rzeźby terenu, takie jak strome klify, długie wąskie doliny i nagłe zmiany w układzie sieci drenażu.
- Podczas prac terenowych należy potwierdzić zgodność wzorców z mapy z cechami w skali makro zaobserwowanymi w naturze. Należy upewnić się, że mapy terenowe zostały odpowiednio skorygowane.
- Należy podzielić obszar badań na mniejsze sekcje wzdłuż poprzecznych stref w skali makro.
2. Gromadzenie danych terenowych w skali mezoskalowej
- Przeprowadź analizę terenową w obrębie każdego obszaru ograniczonego strefą poprzeczną.
- Określ skalę homogeniczności uskoków mezoskalowych w całym obszarze badań. W tym celu zmierz wszystkie uskoki większe niż 3 cm wzdłuż transektu prostopadłego i równoległego do ogólnej struktury makroskalowej. Punkt, w którym wzorce uskoków ulegają powtórzeniu wzdłuż transektu, definiuje skalę homogeniczności.
Uwaga: wartość 3 cm wybrano jako minimalny próg odcięcia, ponieważ uskoki mniejsze niż 3 cm mogą być trudne do zmierzenia. - Wybierz reprezentatywne stanowiska w całym obszarze badań, korzystając z określonej skali homogeniczności.
- Upewnij się, że każde stanowisko zawiera ~3 wzajemnie prostopadłe odsłonięcia skalne w obrębie skali homogeniczności, aby móc określić trójwymiarową geometrię pracy uskoku.
- Upewnij się, że nowe stanowiska są wybierane tam, gdzie wzorce uskoków ulegają wyraźnej zmianie (Rysunek 2).
- Wybieraj stanowiska oddalone (~jedną jednostkę homogeniczności) od głównych kontaktów warstwowania, aby uniknąć lokalnych kierunków skrócenia i wydłużenia, które mogłyby nadpisać uskoki powstałe w wyniku ogólnego kierunku skrócenia.
- Użyj siatki do ewidencji wszystkich uskoków podczas gromadzenia danych4.
- Upewnij się, że rozmiar siatki odpowiada skali homogeniczności uskoków mezoskalowych. Na przykład, jeśli uskoki są homogeniczne w skali metra sześciennego, użyj siatki o boku jednego metra.
- Zbuduj siatkę w formie składanego drewnianego kwadratu — ułatwi to transport w terenie.
- Użyj 4 równych kawałków drewnianych listewek o szerokości 1 cala. Zaleca się użycie dowolnego rodzaju twardego drewna, ponieważ jest ono najtrwalsze podczas prac terenowych.
- Wywierć otwory o średnicy 1/4" blisko końców (~ ½" od krawędzi) listewek drewnianych. Zmontuj konstrukcję za pomocą czterech śrub o długości 2 1/4" i rozmiarze 3/16" w każdym narożniku. Aby ułatwić składanie, zastosuj stalowe nakrętki motylkowe.
- Podziel siatkę równomiernie za pomocą sznurka — pomoże to w śledzeniu poszczególnych uskoków na każdym stanowisku. Wywierć otwory w równych odstępach wzdłuż obwodu siatki, a następnie przećwiń i zawiąż sznurek w otworach. Na przykład w przypadku siatki o boku jednego metra, podziel ją na kwadraty 10 cm za pomocą sznurków połączonych z przeciwległymi końcami siatki (Rysunek 4).
Rycina 4. Przykład odsłonięcia w skali mezoskopowej. Uwarstwienie zaznaczono białymi przerywanymi liniami. Konkretne zestawy uskoków omówione w pracy wyróżniono cienkimi, ciągłymi białymi liniami. Przedstawiono siatkę m2 (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Wykonaj szczegółowe szkice zestawów uskoków w obrębie każdej siatki.
- Na podstawie szkiców siatek oraz relacji przecięcia uskoków określ najmłodsze zestawy uskoków w każdym punkcie pomiarowym4.
- Zrób to poprzez identyfikację wzorców przesunięć uskokowych w każdym punkcie. Najmłodsze uskoki nadpisują i przesuwają uskoki starsze.
- W każdym punkcie badawczym zarejestruj orientację, rozstaw, długość, grubość oraz cechy morfologiczne (np. zasklepione, wypełnione żyłą, otwarte, wypełnione brekcją) dla każdego z najmłodszych uskoków w obrębie każdej siatki.
- Podziel punkty pomiarowe według jednostek litologicznych (patrz Rysunek 2).
3. Gromadzenie danych w skali mikro
- Pobierz zorientowane próbki skalne z każdego stanowiska w celu analizy szlifów cienkich.
- Upewnij się, że próbka skalna jest wystarczająco duża, aby wyciąć trzy wzajemnie prostopadłe kostki do szlifów cienkich o standardowym wymiarze (26 mm x 46 mm) (t.j. nieco większe od pięści osoby dorosłej).
- Wytnij kostki do szlifów cienkich (używając standardowej piły do skał) odpowiadające orientacjom siatki z każdego stanowiska, aby umożliwić bezpośrednie porównanie wzorców w skali mikro i mezo.
- Przygotuj szlify cienkie o standardowej grubości (0,03 mm)8.
- Przeanalizuj szlify cienkie za pomocą standardowego mikroskopu optycznego z dołączoną kamerą do wykonywania mikrofotografii.
- Dla każdego szlifu cienkiego zarejestruj cechy morfologiczne, takie jak zawartość tlenków żelaza, a także zmienność i średnią wielkość ziarna, stosując metody stereologiczne, t.j. analizę cięciw Spektora (Tabela 1)9.
- Wykonaj to poprzez pomiar szerokości i/lub liczby wybranych cech morfologicznych wzdłuż 4–6 losowo zorientowanych transektów przechodzących przez każdy szlif cienki4,9. Na podstawie wszystkich transektów oblicz średnią (Tabela 1).
| Jednostka | Grubość złoża (m) | Tkanina pościelowa | Wielkość ziarna (m) | Szczep X/Z Fry (średni Rf) | Szczep Fry X/Y (średnia Rf) | Stopień przerostu | Ilość tlenku żelaza | Ilość zanieczyszczeń | Inne charakterystyki |
| Ct | 1,000 | Wyraźne, o grubym i cienkim uwarstwieniu | Śr.: 1,59 x 10-4 (Zakres: 3,6 x 10-6 do 3,31 x 10-4) | 1.15 | 1.12 | umiarkowane, półpołączone w małych płatach | umiarkowane, częściowo połączone w niewielkich obszarach | umiarkowane, częściowo połączone kryształy kalcytu w niewielkich płatach | Tworzy grzbiety, biały do szaroróżowego, wietrzeje do koloru beżowego lub rdzawobrązowego |
| PCm | 570-750 | Wyraźne, dobrze rozwinięte gradacje i uwarstwienie krzyżowe | Śr.: 1,48 x 10-4 (Zakres: 1,15 x 10-4 do 2 x 10-4) | 1.22 | 1.19 | główny i dobrze połączony | umiarkowana i dobrze skomunikowana | niewielka ilość kalcytu i słaba łączność | Masywne odsłony, purpurowo czerwono-brązowe, wietrzejące do barwy purpurowo-czarnej |
Tabela 1. Przykład morfologii w skali mikro. Opis proterozoicznych jednostek kwarcytu Mutual (PCm) i eokambryjskich Tintic (Ct). Odkształcenie Fry X/Z mierzono w przekroju pionowym równoległym do płaszczyzny transportu, natomiast odkształcenie Fry X/Y mierzono w przekroju pionowym prostopadłym do płaszczyzny transportu (zmodyfikowano na podstawie pracy Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić/pobrać tę tabelę w formacie Microsoft Excel.
- Zmierz odkształcenie, stosując znormalizowaną analizę Fry'a10,11. Upewnij się, że odkształcenie jest mierzone na trzech wzajemnie prostopadłych szlifach cienkich, aby określić trójwymiarowe odkształcenie w każdym punkcie.
- W tym celu wykonaj mikrofotografię każdego szlifu cienkiego. Upewnij się, że mikrofotografie zawierają co najmniej 50 ziaren z wyraźnymi granicami ziaren, t.j. nie będącymi granicami podziarnami.
- Wyznacz obrysy ziaren w celu pomiaru odkształcenia metodą Fry'a. Obrysy można wyznaczyć ręcznie, odrysowując je z wydrukowanej mikrofotografii na papierze kalkowym, lub cyfrowo, wgrywając mikrofotografię do programu do analizy obrazu (np. Image Pro Plus), który automatycznie wyznacza granice ziaren.
- Wgraj obraz granic ziaren do programu do obliczania znormalizowanego odkształcenia metodą Fry'a12.
4. Wykreślanie danych o uskokach w skali mezoskalowej
- Przeanalizuj dane dotyczące uskoków na siatkach równopolowych. Na przykład, użyj programu Stereonet (darmowe oprogramowanie od R.W. Allmendingera).
- Wykreśl bieguny zbiorów uskoków na siatkach równopolowych, a następnie wyznacz kontury tych biegunów, używając konturów 1% pola (Rycina 5).
- Określ najliczniejsze zbiory uskoków na podstawie tych koncentracji biegunów. Wykreśl te zbiory uskoków jako wielkie okręgi (Rycina 5).
Rysunek 5. Przykłady wykresów równoobszarowych. Wykresy powierzchniowo-równomierne zestawów uskoków z dwóch stanowisk — stanowisko 41 pochodzi z Regionu 2, a stanowisko 5 z Regionu 1. Zestawy uskoków przedstawiono jako kontury biegunów (kontury 1% powierzchni). Średnie zestawy uskoków wyznaczono na podstawie koncentracji biegunów i przedstawiono jako okręgi wielkie. Maksymalne kierunki skrócenia, wyznaczone z koniugowanych zestawów uskoków, naniesiono jako czarne kropki. Kontury biegunów uskoków są pokolorowane zgodnie z procentowym udziałem w każdym stanowisku. Koncentracje biegunów, które przyczyniają się do >20% są zabarwione na czerwono, od 15% do 19% na pomarańczowo, 10–14% na żółto, 5–9% na zielono i <5% są zabarwione na niebiesko. Czerwone kontury biegunów uskoków są oznaczone jako LPS (skracanie równoległe do warstw), LE (rozciąganie ramienia) i HE (rozciąganie zawiasu) (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Zidentyfikuj sprzężone zestawy uskoków, t.j. pary dużych kół z kątami dwuściennymi w zakresie od 40º do 75º (Rysunek 5)13.
- Wyznacz ostry dwusieczny sprzężonych zestawów uskoków — pozwoli to określić kierunek maksymalnego skrócenia (Rysunek 5) 4,14,15.
- Dalszy podział koncentracji biegunów uskoków na siatce równopolowej należy przeprowadzić zgodnie z ich procentowym udziałem dla każdego stanowiska. W celu ułatwienia analizy wizualnej należy zastosować kodowanie kolorystyczne koncentracji biegunów. Na przykład, zaznacz na czerwono koncentracje biegunów, które stanowią >20% wszystkich biegunów dla danego stanowiska. Te, które stanowią od 15-19%, zaznacz na pomarańczowo, od 10-14% na żółto, od 5-9% na zielono i <5% na niebiesko (Rysunek 5, Tabela 2).
| Stanowisko | Uwarstwienie | Skrócenie | Najwyższy biegun uszczerbu | Układy uszczerbów |
| (kąt nachylenia, kierunek nachylenia) | kierunek(i) | koncentracja(e) | (kąt nachylenia, kierunek nachylenia) | |
| (kąt zanurzenia, trend) | (kąt zanurzenia, trend) | |||
| 41 | 83, 268 | 79, 115 | 22, 064 | 68, 244 |
| 60, 345 | 30, 265 | |||
| 73, 276 | 17, 096 | |||
| 5 | 63, 265 | 67, 130 | 08, 343 | 82, 263 |
| 36, 247 | 54, 067 |
Tabela 2. Przykład danych dotyczących uskoków w skali mezoskalnej. Wykres przedstawiający tylko 2 z 24 stanowisk, dokumentujący następujące parametry: orientację uwarstwienia, kierunki skrócenia, orientację najwyższych koncentracji biegunów uskoków oraz odpowiadające im zestawy uskoków (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7).
- Oznacz stężenia biegunów zgodnie z różnymi typami uskoków (np. rozciąganie zawiasowe) (Rysunek 5).
- Oznacz różne typy uskoków na zdjęciach w skali mezoskalo w celu ułatwienia analizy wizualnej (Rysunek 4).
- Przedstaw różne typy uskoków na wykresach, aby ułatwić analizę wizualną (Rysunek 6). Wykonaj to, nanosząc dane o uskokach wzdłuż i w poprzek ogólnej struktury w skali makro.
Rysunek 6. Przykładowy wykres przedstawiający rozkład populacji uskoków.Wykres przedstawiający procentowy udział i rodzaj maksymalnych zbiorów uskoków (zaznaczonych na czerwono na Rysunku 5) dla każdego stanowiska. Przedstawiono tutaj jedynie stanowiska znajdujące się w kwarcytach Ct (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
5. Konstrukcja modelu piaskownicy z blokiem wypychania
- Należy użyć płyty MDF (płyty pilśniowej średniej gęstości) o grubości ¾ cala, aby zredukować potencjalne niejednorodności powierzchni wynikające z usłojenia drewna, grubo struganych powierzchni lub innych wad materiału drzewnego (Rycina 3).
- Należy nałożyć podstawowy lakier wykończeniowy, aby uszczelnić powierzchnie płyty MDF i zapobiec przesiąkaniu żywicy epoksydowej (opisanej poniżej) w głąb powierzchni modelu (Rycina 3).
- Należy przeskalować i zorientować model piaskownicy względem obszaru badań terenowych. Na przykład w niniejszym badaniu długość skrzyni powinna reprezentować linię trendu Wschód-Zachód (EW), a szerokość skrzyni linię trendu Północ-Południe (NS). Model piaskownicy należy przeskalować tak, aby 4 cm odpowiadało 1 km (Rycina 3).
- Skrzynię należy zbudować w rozmiarze większym niż badany obszar terenowy, aby uniknąć potencjalnych warunków brzegowych i/lub efektów krawędziowych modelu.
- Nie należy konstruować tylnej zapory, aby umożliwić przepływ piasku bez tworzenia nierealistycznej granicy (Rycina 3).
- Należy zbudować blok pchający o szerokości odpowiadającej szerokości piaskownicy. Zapobiegnie to przedostawaniu się piasku bokami bloku pchającego.
- Do wykonania bloku pchającego należy użyć płyty MDF o grubości ¾ cala.
- Blok pchający należy przymocować do metalowego pręta gwintowanego napędzanego korbą (Rycina 7).
- Należy zastosować okrągłą korbę z uchwytem o średnicy od 4 do 6 cali — okrągła korba mniej obciąża nadgarstki i dłonie operatora.
- Należy użyć ocynkowanego pręta gwintowanego (najlepiej z gwintem trapezowym) o średnicy co najmniej ¾ cala. Jeśli pręt będzie zbyt cienki, może nie wytrzymać ciężaru piasku.
- Należy upewnić się, że długość pręta gwintowanego rozciąga się od początku piaskownicy do końca ramp.
Rycina 7. Przykład schematu modelu w piaskownicy. Schematy modelu w piaskownicy przedstawione jako rzut poziomy i przekrój poprzeczny. Oznaczono południową rampę frontalną (SFR), rampę ukośną (OR) oraz północną rampę frontalną (NFR). Cienkie strzałki narysowane nad rampami ilustrują potencjalny kierunek przemieszczania się piasku. Zdjęcie pustego modelu w piaskownicy znajduje się na Rycynie 3 (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Wywierć wydłużony otwór o pionowej osi długiej w centrum ogranicznika przedniego. Ten wydłużony kształt pozwoli blokowi pchającemu (przymocowanemu do gwintowanego pręta) na przesuwanie się w górę i nad rampami, jeśli będzie to konieczne (Rycina 8).
- Upewnij się, że długość wydłużonego otworu jest równa wysokości najwyższej rampy.
- Zabezpiecz wydłużony otwór metalową ramką. Przymocuj metalową ramkę do ogranicznika przedniego za pomocą nakrętek i śrub (Rycina 8).
- Przełóż pręt przez nakrętkę o pasującym skoku i średnicy, zamontowaną do ogranicznika przedniego (Rycina 8).
Rysunek 8. Przykład połączenia pręta gwintowanego. Zbliżenie pręta gwintowanego i dopasowanej nakrętki zamontowanej do przedniego ogranicznika. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
- Zbuduj rampę skośną, ograniczoną z obu stron rampami czołowymi. Rampy należy wykonać z sosny, stosując klejone połączenia na wpust na powierzchniach górnych oraz wpuszczane łączniki wzdłuż podstawy.
- Dotnij rampy pod kątami zbliżonymi do tych, które przewiduje się w warunkach terenowych.
- Zwiększ odległość między poszczególnymi rampami w porównaniu do obserwacji terenowych, aby struktury tworzące się w piasku były bardziej widoczne.
- Wyszlifuj powierzchnie papierem ściernym o drobnej ziarnistości, aby usunąć niejednorodności powierzchni, a następnie nałóż wykończenie poliuretanowe w celu zabezpieczenia miękkiego drewna.
- Oklej rampy oraz dno skrzyni z piaskiem taśmą malarską, aby chronić drewno przed żywicą epoksydową pomiędzy próbami. Upewnij się, że taśma jest gładka i pozbawiona zmarszczek lub wystających fragmentów.
6. Uruchamianie modelu piaskownicy Push-block
- Należy użyć typowego piasku do zabaw. Ten rodzaj piasku jest stosunkowo jednorodny, ze średnią wielkością ziaren 0.5 mm.
- Połowę piasku należy zafarbować i wysuszyć.
- Napełnić wiadro o pojemności 5 galonów w jednej czwartej piaskiem do zabaw i dodawać czarny barwnik spożywczy, mieszając do uzyskania jednolitego ciemnozielonego koloru. Należy użyć takiej ilości barwnika, aby kolor zafarbowanego piasku był wyraźnie odróżnialny od piasku niefarbowanego.
- Pozostawić piasek do wyschnięcia w temperaturze pokojowej, co może potrwać kilka dni, lub w piekarniku (do 500 ºC), co może zająć tylko kilka godzin. Nie należy wsypywać gorącego piasku do piaskownicy. Przed użyciem należy upewnić się, że piasek ostygł do temperatury pokojowej.
- Piasek należy układać naprzemiennymi warstwami piasku kolorowego i niekolorowanego (beżowego). Należy przetestować różne grubości warstw piasku. W tej konfiguracji najjaśniejsze i najbardziej powtarzalne wyniki uzyskano przy całkowitej grubości warstwy piasku 3.5 cm, z naprzemiennymi warstwami kolorowymi i beżowymi o grubości 0.6 cm (Ryc. 7).
- Należy delikatnie docisnąć plastikową siatkę o oczkach 0.5 in2 (1.3 cm2) do powierzchni niedeformowanego piasku, aby utworzyć wgłębienia w kształcie siatki (Ryc. 9).
Rysunek 9. Przykład niezdeformowanego piasku w modelu piaskownicy. Częściowy widok z góry niezdeformowanego piasku w modelu piaskownicy. Zwróć uwagę na wcięcia siatki i kwadratowe piny poprzeczne. Zaznaczono południową rampę frontalną (SFR), rampę ukośną (OR), północną rampę frontalną (NFR) oraz cztery regiony (1-4) (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
- Wkładać kwadratowe piny krzyżowe w odstępach 2 cali (~5 cm) w całym obszarze niedeformowanego piasku (Rysunek 9).
- Przesuwać piasek za pomocą bloku pchającego napędzanego korbą. W tej konfiguracji przesunąć piasek o 60 cm, t.j. skrócić go o 60 cm (Rysunek 10).
- Przesuwać blok pchający wystarczająco wolno, aby zmiany w piasku mogły zostać dokładnie udokumentowane. Prędkość przesuwania bloku pchającego (t.j. szybkość odkształcenia) nie wpływa na wyniki.
- Śledzić odkształcenie, obserwując zmiany kształtu kwadratów (Rysunek 10).
- Śledzić zakres transportu i rotację pionową, obserwując ruch pinów (Rysunek 10).
- Dokumentować wszystkie te zmiany za pomocą kamery zamontowanej w pobliżu skrzynki z piaskiem, tak aby cała skrzynka znajdowała się w polu widzenia. Należy wykonać zarówno zdjęcia w klatkach, jak i nagrania wideo.
Rysunek 10. Przykład zdeformowanych warstw piasku. Widok z góry końcowej deformacji z modelu w skrzynce piaskowej. Wybrane piny krzyżowe oznaczone niebieskimi kropkami pokazują przesunięcie prawostronne. Sfałdowane piny krzyżowe są zaznaczone żółtymi liniami. Nasunięcia są zaznaczone cienkimi, czarnymi liniami. Cztery regiony (1-4) są opisane (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
- Przeprowadzić eksperymenty z różną ilością piasku i całkowitym skróceniem.
- Powtarzać czynności aż do uzyskania satysfakcjonujących wyników, t.j. do momentu, gdy struktury powstałe w piaskownicy będą odzwierciedlać te zachowane w naturze przy porównywalnych wartościach skrócenia.
7. Pobieranie próbek z piaskownicy
- Usuń wszystkie piny poprzeczne z piasku, gdy wyniki w skrzynce z piaskiem będą odpowiadać tym zachowanym w naturze.
- Pobierz próbki ze skrzynki z piaskiem, oddzielając i utwardzając żywicą epoksydową fragmenty zdeformowanego piasku (Rysunek 11).
- W tym celu wykonaj dwa docięte z blachyy dzielniki, aby wyizolować fragmenty zdeformowanego piasku (Rysunek 9).
- Upewnij się, że dolna krawędź dzielnika jest docięta zgodnie z kątem nachylenia rampy.
- Aby chronić dzielniki przed żywicą epoksydową pomiędzy kolejnymi próbami, oklej je taśmą malarską (Rysunek 11).
- Upewnij się, że dzielniki wystają poza krawędzie ramp. W niniejszym badaniu zastosowano prostokątne dzielniki o wymiarach 45 cm długości i 9 cm szerokości (Rysunek 11).
- Upewnij się, że dzielniki są wyższe niż najgrubsza warstwa zdeformowanego zespołu piasku (Rysunek 11).
- Upewnij się, że jeden koniec dzielnika jest zamknięty, aby kontrolować przepływ żywicy epoksydowej. Nie zamykaj drugiego końca dzielnika, aby zminimalizować potencjalne zakłócenia w strukturze zespołu piasku (Rysunek 11).
Rycina 11. Przykład metalowych przegród. Widok z góry, pokazujący 2 metalowe przegrody, jedną przechodzącą przez rampę czołową i jedną przez rampę ukośną, w zdeformowanym piasku. Metalowy przegroda wzdłuż pochyłej rampy jest wypełniona żywicą epoksydową. Zwróć uwagę na miarę zwiniętą w celu określenia skali (Zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn)7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Ustabilizuj przegrody za pomocą metalowych prętów (Rysunek 11).
- Zrób to, mocując przegrody śrubami maszynowymi ¼ cala x 4 cale przez nawiercone otwory w górnej części przegród. Osłoń śruby aluminiową rurką o średnicy 3/8 cala pomiędzy bokami przegrody. W niniejszym badaniu użyj dwóch metalowych prętów dla każdej przegrody (Rysunek 11).
- Umieść jedną przegrodę na rampie ukośnej, a drugą na połączeniu rampy frontalnej z ukośną (Rysunek 11).
- Wlej podgrzaną żywicę epoksydową na górę partii piasku oddzielonych metalowymi przegrodami (Rysunek 11).
- Kontynuuj wlewanie żywicy, aż przestanie być ona wchłaniana przez piasek. Zapewni to pełne nasycenie piasku.
- Po wyschnięciu żywicy wyciągnij zaklejone obszary z metalowych przegród. Zrób to, wyciągając przegrody wraz z metalowymi prętami.
- Za pomocą piły do skał przetnij zaklejone obszary prostopadle i równolegle do kierunku ułożenia ramp.
- Zaznacz uwarstwienie, fałdy i uskoki markerem permanentnym na zaklejonych próbkach (Rysunek 12).
Rysunek 12. Przykłady próbek zalanych żywicą epoksydową z modelu piaskownicy. Próbki zalane żywicą epoksydową z (a) północnej rampy frontalnej oraz (b) rampy ukośnej w modelu piaskownicy. Przedstawione próbki zostały wycięte prostopadle do kierunku ramp. Warstwy są zaznaczone cienkimi, białymi liniami. Ciągłe białe linie oznaczają uskoki odwrócone, a przerywane białe linie oznaczają uskoki przesuwcze (zmodyfikowano na podstawie Ismat i Toeneboehn7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Porównaj próbki z piaskownicy z danymi terenowymi.
- Porównaj próbki z przekrojami poprzecznymi z tego obszaru. Upewnij się, że próbki i przekroje mają podobną orientację.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Zdjęcia lotnicze zostały wykorzystane do podziału obszaru pola na cztery regiony (1-4), w oparciu o trend współczesnego grzbietu górskiego (Rysunek 2). Dane dotyczące usterek w wielu skalach są porównywane między tymi czterema regionami. Zakładając, że te zmiany trendu odzwierciedlają leżącą u ich podstaw geometrię podłoża, skośna rampa znajduje się w regionach 2 i 3, gdzie góry mają tendencję ukośną do pasa fałdowo-oporowego Seviera. We wszystkich czterech regionach stwi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Środkowy odcinek pasa fałdowo-oporowego Sevier w stanie Utah i jego północna granica, strefa poprzeczna Leamington, służy jako idealne naturalne laboratorium do badania połączeń między wgłębieniami (Rysunek 1). Wzdłuż tego skrzyżowania kierunek transportu pozostaje stały, a arkusze oporowe są nieprzerwane w poprzek skrzyżowania, więc jedyną zmienną jest podstawowa geometria podłoża5.
W tym miejscu przedstawiamy metodę analizy tego typu skrzyżowania z wgłębieniem pop...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Dziękujemy Erin Bradley i Liz Cole za ich pomoc w terenie. Prace terenowe, przygotowanie cienkich przekrojów i materiał do modelu piaskownicy były wspierane przez Komitet ds. Grantów Franklin & Marshall College.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| płyta pilśniowa | Dowolny | ||
| Dowolna | |||
| Części | A i B: 301-2 2LB Najlepiej, | jeśli jest podgrzany do 80º - 125º. Jeśli ocieplenie nie jest możliwe, wyleczy się dobrze, zajmie to tylko 1 tydzień, a nie 1 dzień. | |
| rampa drewniano-sosnowa | Dowolna | ||
| Dowolne | |||
| Dowolne | |||
| Dowolny | |||
| Dowolny | |||
| Dowolna | NA | najlepiej jeśli jednorodny rozmiar ziarna, ~0,5 mm | |
| barwnik spożywczy | Dowolny | NA | najlepiej użyć jednego koloru i ciemnej plastikowej |
| siatki / siatki | Dowolne | ||
| Dowolna | |||
| Dowolna | NA | ||
| Dowolna | NA | ||
| pręty rozdzielające | Dowolna | NA |
Bibliografia
- Marshak, S., Wilkerson, M. S., Hsui, H. T. Generation of curved fold-thrust belts: Insights from simple physical and analytical. modelsThrust Tectonics. KR, M. cC. lay , Chapman and Hall. 83-92 (1992).
- Mitra, G. Evolution of salients in a fold-and-thrust belt: the effects of sedimentary basin geometry, strain distribution and critical taper. Evolution of Geological Structures in Micro- to Macro-scales. S, S. engupta , Chapman and Hall. 59-90 (1997).
- Weil, A., Sussman, A. Classifying curved orogens based on timing relationships between structural development and vertical axis rotations. Orogenic curvature Geol. Soc. of Am. Special Paper. A, S. ussman, A, W. eil 383, 205-223 (2004).
- Ismat, Z., Mitra, G. Folding by cataclastic flow at shallow crustal levels in the Canyon Range, Sevier orogenic belt, west-Central Utah. J. of Struct. Geol. 23 (2-3), 355-378 (2001).
- Tull, J., Holm, C. Structural evolution of a major Appalachian salient-recess junction: Consequences of oblique collisional convergence across a continental margin transform fault. Geol. Soc. of Am. Bull. 117 (3), 482-499 (2005).
- Ismat, Z. Block supported cataclastic flow within the upper crust. J. of Struct. Geol. 56, 118-128 (2013).
- Ismat, Z., Toeneboehn, K. Deformation along a salient-transverse zone junction: An example from the Leamington transverse zone,Utah, Sevier fold-thrust belt (USA). J. of Struct. Geol. 75, 60-79 (2015).
- Reed, F. S., Mergner, J. L. Preparation of Rock Thin Sections. Amer. Mineral. 38, 1184-1203 (1953).
- Underwood, E. E. Quantitative Stereology. , Addison-Wesley Publishing Company. (1970).
- Fry, N. Random point distribution and strain measurement in rock. Tectonophys. 60 (1), 89-105 (1979).
- McNaught, M. A. Estimating uncertainty in normalized Fry plots using a bootstrap approach. J. of Struct. Geol. 24 (2), 311-322 (2002).
- De Paor, D. G. An Interactive Program for Doing Fry Strain Analysis on the Macintosh Microcomputer. J. of Geol. Ed. 37 (3), 171-180 (1989).
- Ismat, Z. Folding kinematics expressed in fracture patterns: An example from the Anti-Atlas fold-belt, Morocco. J. of Struct. Geol. 30 (11), 1396-1404 (2008).
- Reches, Z. Faulting of rocks in three-dimensional strain fields: II. Theoretical analysis. Tectonophys. 95 (1-2), 133-156 (1983).
- Reches, Z., Dieterich, J. H. Faulting of rocks in three dimensional strain fields: 1. Failure of rocks in polyaxial, servo-control experiments. Tectonophys. 95 (1-2), 111-132 (1983).
- Ismat, Z. Evolution of fracture porosity and permeability during folding by cataclastic flow: Implications for syntectonic fluid flow. Rocky Mount. Geol. 47 (2), 133-155 (2012).
- Kwon, S., Mitra, G. Three-dimensional kinematic history at an oblique ramp, Leamington zone, Sevier belt, Utah. J. of Struct. Geol. 28 (3), 474-493 (2006).
- Casas, A. M., Simon, J. L., Seron, F. J. Stress deflection in a tectonic compressional field: A model for the northeastern Iberian chain, Spain. J. of Geophys. Res. 97, 7183-7192 (1992).
- Apotria, T. G. Thrust sheet rotation and out-of-plane strains associated with oblique ramps: An example. J. of Struct. Geol. 17 (5), 647-662 (1995).
- Hubbert, M. K. Theory of Scale Models as Applied to the Study of Geological Structures. Geol. Soc. of Am. Bull. 48 (10), 1459-1520 (1937).
- Schöpfen, M. P. J., Steyrer, H. P. Experimental modeling of strike-slip faults and the self-similar behavior. Tectonic Modeling: A volume in honor of Hans Ramberg Geol. Soc. of Am. Mem. Koyi, H. A., Mancktelow, N. 193, 21-27 (2001).
- Kwon, S., Mitra, G. Strain distribution, strain history and kinematic evolution associated with the formation of arcuate salients in fold-thrust belts: the example of the Provo salient, Sevier orogeny, Utah. Orogenic curvature Geol. Soc. of Am. Special Paper. Sussman, A., Weil, A. 383, 205-223 (2004).
- Elliott, D. The motion of thrust sheets. J. of Geophys. Res. 81, 949-963 (1976).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
