Rola tkaniny we właściwościach ciernych uskoków tektonicznych bogatych w filokrzemiany

Ogólnym celem tej procedury jest zbadanie właściwości ciernych filokrzemianów, z uskokami ścinanymi w geometrii in-situ, oraz wykazanie, że tarcie to jest znacznie niższe niż tarcie proszków otrzymanych z tego samego materiału. Podczas długotrwałej ewolucji uskoków tektonicznych liczne badania geologiczne udokumentowały zmiękczanie reakcji wspomagane płynami, które sprzyja zastępowaniu silnych i ziarnistych minerałów filokrzemianami. W szczególności procesy szczelinowania wzdłuż uskoków zwiększają przepuszczalność i ułatwiają napływ płynów uwodnionych do strefy uskoku.

Płyny reagują z drobnoziarnistą skałą, sprzyjając rozpuszczaniu silnych minerałów, takich jak kwarc, skaleń i kalcyt. Stają się filokrzemianami płytek i tworzą ulistnione mikrostruktury, takie jak ta przedstawiona tutaj na zielono. Poślizg wzdłuż filokrzemianów z mikroskali jest przenoszony do całej strefy uskokowej poprzez wzajemne połączenie stref ścinania bogatych w filokrzemiany.

Jest to przykład ciągłości strefy ścinania filokrzemianów w skali odkrywki, która może być rozszerzona aż do uskoków w skali skorupy ziemskiej o grubości ponad 100 metrów. Wzdłuż uskoku bogatego w filokrzemiany, takiego jak ten, ścinanie toniczne spowodowało wyrównanie filokrzemianów, wytwarzając anizotropię skał uskokowych. Aby uwzględnić rolę anizotropii we właściwościach ciernych uskoku, musimy pobrać odpowiednie próbki skał.

W tym celu musimy pobrać reprezentatywną próbkę skały, a w obrębie wychodni wybrać fragment, w którym wskaźniki kinematyczne są najlepiej zachowane. A następnie za pomocą dłuta i młotka pobieramy próbkę skały. Po pobraniu próbki skały zaznaczamy zmysł ścinania, a następnie przynosimy próbkę skały do laboratorium w celu przeprowadzenia eksperymentu.

Dzięki tej procedurze tniemy próbki skał, aby uzyskać płytki, które pasują do bloków wymuszających aparatu do deformacji skał. Zwykle osiąga się to w 2 krokach. W pierwszym kroku za pomocą standardowej piły laboratoryjnej uzyskujemy próbki skał, które są nieco większe niż klocki wymuszające.

Po drugie, używamy precyzyjnego ostrza obrotowego lub szlifierki ręcznej, aby ukształtować wafle tak, aby miały powierzchnię 5 na 5 centymetrów i około 1 centymetr grubości. Z tego samego kawałka skały używamy młyna dyskowego, aby uzyskać ziarnisty materiał, który jest przesiewany w celu osiągnięcia pożądanej wielkości ziarna, zwykle poniżej 125 mikronów. 2 identyczne płytki są zamontowane na blokach siłowych ze stali nierdzewnej o nominalnej powierzchni tarcia 5 na 5 centymetrów, a następnie są montowane z centralnym blokiem wymuszającym, tworząc symetryczną konfigurację podwójnie bezpośrednią.

W ten sam sposób proszki służą do budowy 2 identycznych warstw o grubości około 5 milimetrów, a powierzchnia styku wynosi 5 na 5 centymetrów. Są one następnie wykorzystywane do skomponowania podobnej konfiguracji podwójnego bezpośredniego ścinania. W tym momencie konfiguracja podwójnego bezpośredniego ścinania jest umieszczona w naszym aparacie dwuosiowym i jesteśmy gotowi do rozpoczęcia eksperymentu z tarciem.

Używamy tłoka hydraulicznego sterowanego serwomechanizmem do przykładania i utrzymywania stałego normalnego naprężenia na próbce skały. Następnie, przesuwając siłownik pionowy, przykładamy naprężenie ścinające przy stałej prędkości ślizgu; Zwykle jest to 10 mikronów na sekundę. Większość eksperymentów charakteryzuje się początkowym utwardzeniem odkształceniowym, w którym naprężenie ścinające gwałtownie wzrasta podczas obciążenia sprężystego, a następnie naprężenie ścinające w stanie ustalonym.

Stosunek naprężenia ścinającego do naprężenia normalnego daje nam współczynnik tarcia. Pod koniec próby tarcia ostrożnie wydobywamy uskok doświadczalny, impregnujemy próbkę skały żywicą epoksydową, tniemy próbkę w kierunku równoległym do zmysłu ścinania, a z nacięć budujemy cienkie przekroje do badań mikrostrukturalnych. Używamy mikroskopu optycznego do scharakteryzowania dużych wad mikrostruktury.

Analizujemy mikrostruktury za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego w celu zbadania głównych procesów deformacji. Używamy transmisyjnego mikroskopu elektronowego, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat procesów deformacji aż do nanoskali. Na wykresie naprężenia normalnego w funkcji naprężenia ścinającego zarówno płytki z litymi foliami, jak i próbki proszku są kreślone wzdłuż linii, zgodnie z kruchą obwiednią uszkodzenia.

Ale stałe płytki mają znacznie niższą wartość tarcia niż sproszkowane analogi. W szczególności proszki wykazują tarcie około 0,6, podczas gdy skały liściaste mają znacznie niższe wartości. Przy każdym normalnym naprężeniu skały foliowane mają współczynnik tarcia, który jest o 0,2 do 0,3 jednostki niższy niż wykonane z nich proszki.

Badania mikrostrukturalne badanych skał wskazują, że niskie tarcie stałych płytek wynika z przesuwania się po istniejących, bardzo drobnoziarnistych foliacjach zbudowanych z filokrzemianów. Obrazy TEM pokazują, że poślizg jest kompensowany głównie przez pękanie, translację i rotację wzdłuż filokrzemianów, z częstym rozwarstwianiem warstwy wewnętrznej. Natomiast eksperymenty przeprowadzone na proszkach wskazują, że znaczna część deformacji występuje wzdłuż stref powstałych w wyniku pękania i zmniejszania wielkości ziarna.

Skutkuje to wyższymi wartościami tarcia. Jest to podsumowanie właściwości ciernych naturalnych, bogatych w krzemiany uskoków tektonicznych pochodzących z różnych środowisk tektonicznych. Dane pokazują, że tarcie mieści się w zakresie od 0,1 do 0,3 i jest znacznie niższe niż tradycyjna wartość tarcia Byerlee uzyskiwana z szerokiej gamy typów skał, które są głównie zbudowane z granulowanych faz mineralnych.

Podsumowując, nasze eksperymenty z tarciem pokazują, że próbki foliowane są wyjątkowo słabe w porównaniu z ich sproszkowanymi odpowiednikami. Badania mikrostrukturalne wskazują, że mniejsze tarcie, czyli innymi słowy słabość uskoków ulistnionych skał uskokowych, wynika z reaktywacji istniejących wcześniej naturalnych powierzchni bogatych w filokrzemiany. Powierzchnie te są nieobecne w sproszkowanych próbkach, ponieważ etap przygotowania próbki je niszczy.

Nasze testy tarcia na próbkach o stałych liściach pokazują, że niskie tarcie, a tym samym osłabienie uskoków, może wystąpić w przypadkach, gdy słabe fazy mineralne stanowią tylko niewielki procent całkowitej skały uskokowej, co oznacza, że znaczna liczba uskoków skorupy ziemskiej jest słaba.