Summary
피질로틸로틸리케이트가 풍부한 결함의 마찰은 가루 등가물의 마찰보다 현저히 낮습니다.
Abstract
지각 결함의 마찰 특성을 특성화하는 데 사용되는 많은 암석 변형 실험은 분말 결함 바위 또는 맨바위 표면에 수행됩니다. 이러한 실험은 과립 광물 상의 마찰 특성을 문서화하고 높은 마찰을 특징으로 하는 갑각결함에 대한 증거를 제공하는 데 기본이었습니다. 그러나, 그들은 완전히 phyllosilicates가 풍부한 결함의 마찰 특성을 캡처 할 수 없습니다.
자연 결함의 수많은 연구는 연속 단풍으로 분포되는 필로실리케이트와 강한 미네랄의 교체를 촉진 유체 보조 반응을 부드럽게 문서화했다. 이러한 단원들이 결함의 마찰 특성에 어떤 영향을 미치는지 연구하기 위해: 1) 천연 결함에서 잎이 있는 필로실리케이트가 풍부한 바위를 수집합니다. 2) 웨이퍼의 5x5cm 면에 평행한 단엽을 가진 영역에서 고체 웨이퍼 0.8-1.2 cm 두께 및 5cm x 5cm를 얻기 위해 고장 암석 샘플을 잘라; 3) 분쇄 및 체질에 의해 얻어진 시투 지오메트리와 분말에서 전염된 고체 웨이퍼 모두에 대한 마찰 테스트를 수행하여 동일한 샘플의 단풍을 방해합니다. 4) 포스트 실험 암석 샘플로부터 미세 구조 연구를 위한 샘플을 회수; 및 5) 광학 현미경 검사법, 스캐닝 및 전송 전자 현미경 검사를 통해 미세 구조 분석을 수행했습니다.
기계적 데이터는 잘 발달된 단풍을 가진 고체 샘플이 분말 등가물과 비교하여 마찰이 현저히 낮다는 것을 보여줍니다. 마이크로 및 나노 구조 연구는 낮은 마찰이 필로실리케이트로 구성된 단풍 표면을 따라 미끄러지는 것으로 인해 발생한다는 것을 보여줍니다. 동일한 바위가 가루가 되면 슬라이딩이 골절, 곡물 회전, 번역 및 관련 팽창에 의해 수용되기 때문에 마찰 강도가 높습니다. 마찰 테스트에 따르면 폴리실리케이트가 전체 암석 부피의 극히 일부에 불과하더라도 단풍바위가 마찰이 적을 수 있으며, 이는 상당수의 갑각류 결함이 약하다는 것을 의미합니다.
Introduction
이 절차의 전반적인 목표는 시투 지오메트리에 있는 그대로 phyllosilicate-rich 결함의 마찰 특성을 테스트하고 동일한 재료의 분말에 대한 실험에서 얻은 마찰보다 마찰이 현저히 낮다는 것을 보여주는 것입니다.
수많은 지질 학적 연구는 지각 결함의 장기 진화 동안 유체 보조 반응 연화를 문서화했다. 연화는 석영, 펠트파르, 석회, 돌로미테, 올리바인, 파이록센, 약한 필로실리케이트1,2,3,4,5,6,7,7,8,9,10과같은 강한 미네랄의 교체에 의해 발생한다. 이 약화는 곡물 규모에서 유래하고 윤활의 형태를 생성하기 위해 함께 작용하는 필로실리케이트 폴리아를 따라 매우 낮은 마찰에서 슬라이딩에 주로 기인한다. 곡물 배율에서, 고장 약화는 필로실리케이트가 풍부한영역(11)의상호 연결을 통해 전체 고장 영역으로 전달된다. 상호 연결된 필로실리케이트 폴리아에 따라 마찰 슬라이딩의 역할을 포착하기 위해, 천연 고장 암석 샘플의 온전한 고체 웨이퍼는 암석 변형 실험12,13,14동안 시투 지오메트리에 휘청거되었다. 실험이 끝나면, 시험된 샘플에 대한 미세구조 연구가 효과적으로 변형이 물리분해성 단엽을 따라 마찰 슬라이딩에 의해 수용되었는지 확인하기 위해 수행되었다.
고장 바위를 분쇄하고 체질하여 얻은 분말 재료에 대한 기존의 마찰 테스트와 비교하여, 손상형 웨이퍼에 대한 실험은 유체 보조 반응 연화에 의해 형성된 상호 연결된 필로실리케이트가 풍부한 층을 따라 마찰 슬라이딩을 포착할 수 있습니다. 사실, 분말 제제 과정에서, 고장 암석의 분쇄 및 체질은 물리 석면 층의 연결을 방해하고 실험실에서 재료가 식재될 때, 지속적인 필로실리케이트 지평선의 부재는 주로 입자 분쇄, 회전 및 높은 마찰을 초래하는 변형을 선호합니다.
고체 웨이퍼에 대한 실험은 필로실리케이트의 백분율이 40%15의< 때, 동일한 암석 유형에서 얻은 분말 재료에 대한 실험과 비교하여 마찰이 현저히 낮다는 것을 나타낸다. 필로실리케이트의 풍부가 증가함에 따라, 마찰 감소는 분말 물질에 대한 시험을 위해 문서화되어 있으며, 이 경우 대량의필로실리케이트는 전체 실험 고장16,17,18,19,20,21,22를통해 약한 광물 상세의 상호 연결을 촉진하기에 충분하기 때문이다. 대안적으로, 상호 연결된 약한 층에서 마찰 슬라이딩을 시뮬레이션하기 위해, 다른 유형의 마찰 테스트는 100% 약한 광물 상23,24,25로구성된 분말에 수행되었다.
고온에서 변형 실험에서 암석 직물에 의해 촉진된 기하학적 결함 약화, 따라서 연성 리토스피어를 대표하는, 잘 알려져 있다26. 여기에 제시된 절차에서 얻은 결과는 phyllosilicate 직물이 seismogenic 상부 크러스트 내에 포함된 많은 결함에 대해 또한 결함을 약화시키는 것을 나타낸다.
Protocol
1. 록 샘플 컬렉션
- 천연 필로실리케이트가 풍부한 결함의 잘 노출된 노두에서 실험에 대한 대표적인 암석 샘플을 수집하는 올바른 노출(결함 선열이 포함된 평면을 따라 잘 보존된 결함 암석)을 선택합니다. 몇 밀리미터보다 크지 않은 단풍 간격이 있는 결함 바위를 선택하십시오. 이것은 마찰 실험 중에 전염될 최대 1.5cm 두께의 직사각형 웨이퍼에서 필로실리케이트 지평선을 포착하기 위해 수행됩니다.
- 망치와 끌을 사용하여 약 10cm x 10cm의 면적과 3cm 이상의 두께로 결함 바위 샘플을 얻습니다.
- 필드에서 관찰된 운동성 지표(예: 매끄러운 면, 단풍, 드래그 폴드 등)에 따라 암석 샘플에 전단의 감각을 표시합니다.
참고: 시료의 면적은 10cm x 10cm보다 작을 수 있지만, 실험 장치의 강제 블록의 치수인 5cm x 5cm보다 커야 합니다.
주의: 단풍암 샘플은 매우 경솔하기 때문에 수집 후 일부 테이프 또는 플라스틱 필름으로 샘플을 감싸는 것이 유용할 수 있습니다. 수집된 샘플은 풍화에 의해 변경되지 않으므로 이러한 바위가 seismogenic 깊이의 결함 바위를 나타내는 것이 필수적입니다.
2. 이중 직접 전단 구성에서 마찰 실험을위한 샘플 준비
- 암석 샘플을 잘라 바위 변형 장치의 강제 블록에 맞는 직사각형 웨이퍼를 얻을 수 있습니다. 이것은 일반적으로 두 단계로 달성된다 : 첫 번째 단계에서, 강제 블록보다 약간 큰 암석 샘플을 얻기 위해 표준 실험실 톱을 사용; 둘째로 고정밀 회전블레이드 또는 핸드그라인더를 사용하여 웨이퍼를 부위에 5cm x 5cm, 두께 0.8-1.2cm(그림1,왼쪽)를형성한다. 표준 이중 직접 전단 테스트의 경우 단일 실험을 수행하기 위해 동일한 암석의 두 웨이퍼가 필요합니다. 절단 및 성형 절차 동안 샘플에 포함된 천연 필로실리케이트가 풍부한 전단 평면이 강제 블록의 표면과 평행하게 유지되도록 합니다. 이는 단풍이 웨이퍼의 5cm x 5cm 면과 평행하다는 것을 의미한다.
- 디스크 밀을 사용하여 그대로 샘플의 절단에서 나머지 물질을 분쇄하고 입자 크기 < 125 μm(그림 1,오른쪽)로분말을 얻기 위해 재료를 체질한다.
- 스테인레스 스틸에 동일한 웨이퍼 2개를 탑재하여 명목 마찰 접점 영역이 5cm × 5cm의 블록을 강제로 마신 다음 중앙 강제 블록으로 조립하여 대칭 이중 직접 전단 구성을 구성합니다.
참고: 샘플의 기계에 의해 부과된 전단 감각은 웨이퍼에 기록되고 1.3점에 표시된 자연스러운 전단 감각과 일치하는 것이 중요합니다. - 분말을 사용하여 약 5mm두께와 5cm x 5cm2의면적을 가진 두 개의 동일한 암석 층을 구성한다. 이러한 분말 암석 샘플의 경우, 디스크 밀로 시료 준비 절차에 의해 천연 단풍이 파괴됩니다. 정확한 레벨링 지그를 사용하여 분말 소재로 구성된 균일하고 재현 가능한 암석 층을 얻습니다. 대칭 이중 직접 전단 어셈블리를 작성합니다.
3. 마찰 실험
- 양축장치(27)에서,28은 가로 서보 제어 유압 피스톤을 사용하여 암석 시료에 일정한 정상 응력도 적용및 유지한다.
- 수직 서보 제어 유압 피스톤을 통해 상수 변위 속도(보통 10 μm/s)로 전단 응력적용.
참고: 하중은 램과 샘플 어셈블리 사이에 위치한 두 개의 스트레인 게이지 로드 셀(정확도 0.03 kN)을 통해 측정됩니다. 수평 및 수직 변위는 LVDT(선형 가변 차등 변환기)에 의해 측정되며, 정확도는 0.1 μm이며, 로드 프레임과램(27,28)의상부에서 참조된다. - 초기 스트레인 경화에 의해 모든 실험을 특성화, 여기서 전단 응력은 탄성 하중 동안 급속하게 증가, 항복 점 전에, 마찰 응력의 꾸준한 상태 값에서 전단.
4. 실험 후 샘플 수집
- 마찰 테스트가 끝나면 실험 적 결함을 신중하게 추출하십시오. 고무 밴드 또는 접착제 테이프는 변형된 암석의 무결성을 유지하기 위해 적재 제거 전에 샘플에 적용할 수 있습니다.
- 에폭시 수지암 샘플을 함침. 분말 실험이 가능하면 수지의 강제 흐름에 의한 원래 미세 구조의 손상을 방지하기 위해 진공 함침을 피하십시오.
- 실험 전단 방향과 평행하게 이러한 암석 샘플을 잘라냅니다. 실험 전단 방향을 추적하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이중 직접 전단 구성에서, 가우징 층과 접촉하는 강철 슬라이딩 블록의 표면은 홈 0.8mm 높이로 가공되고 1mm 이격되어 가우징과 강철 사이의 인터페이스에서 미끄러지지 않도록 하고 가우지 내의 전단 변형을 보장하기 위해, 따라서 우리의 실험에서 전단 방향은 홈에 수직입니다.
- 미세 구조 연구를 위한 절단에서 얇은 단면을 구축합니다.
5. 미세 구조 분석
- 광학 현미경으로 조사하여 벌크 고장 영역 미세 구조를 특성화합니다.
- 스캐닝 전자 현미경(SEM)을 사용하여 주요 변형 프로세스를 조사합니다.
- 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 나노 스케일에서 변형 공정에 대한 세부 정보를 얻을 수 있습니다. 미세구조 분석을 수행하는 방법에 대한 자세한 내용은 이전 간행물4,5,6,7,8,9,10,29에서확인할 수 있다.
Representative Results
정상적인 응력 대 전단 응력의 다이어그램에서 고체 단풍 및 분말 샘플 모두 부서지기 쉬운 고장 봉투와 일치하는 선을 따라 플롯되지만 고체 웨이퍼는 분말 된 아날로그(30)보다마찰 값이 현저히 낮습니다. 예를 들어, 활석이 풍부한 단풍의 특정 한 경우, 각 정상 응력에서 단풍 불량 암석은 그들로부터 만든 분말보다 0.2-0.3 낮은 마찰 계수를 가지게한다(그림 2 및12). 낮은 마찰은 Folied 고체 웨이퍼의 슬라이딩 표면이 기존의 필로실리케이트 가풍부한 단풍을 따라 발생한다는 것을 보여주는 테스트 된 바위의 미세 구조 연구에 의해 설명됩니다. TEM 이미지는 슬립이 주로 (001) 층 간 담화와 관련된 쉬운 슬라이딩에 의해 수용된다는 것을 보여줍니다. 대조적으로, 분말 재료의 실험 미세 구조는 상당한 변형이 입자 크기 감소 및 국소화에 의해 수용된다는 것을 보여줍니다.
그대로 단층 바위와 분말의 단풍 웨이퍼는 동일한 광물 학적 구성을 가지고 있지만, 단풍 샘플은 분말 아날로그보다 상당히 낮은 마찰을 보여줍니다. 미세 구조 연구에 따르면 단풍 결함 암석의 낮은 마찰(즉, 결함 약점)은 샘플 준비 단계(2.2 - 2.4)가 이를 방해하기 때문에 분말 시료에 없는 기존의 천연 필로실리케이트가 풍부한 표면의 재활성화로 인한 것으로 나타났다.
그림 1: 테스트 된 고장 바위의 대표적인 이미지 : 고체 단풍 대 분말 재료. (왼쪽)고체 단풍 샘플은 화살표로 표시된 천연 단풍에 평행하게 분리. (오른쪽) 단단한 단풍 암석을 분쇄하고 체질하여 얻은 분말. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 동일한 재료 (활석이 풍부한 단풍)에 대한 마찰 테스트하지만 고체 단풍 샘플 대 분말 암석. 각 데이터 집합플롯은 부서지기 쉬운 고장 봉투와 일치하지만 고체 단풍 바위는 분말 아날로그, 마찰, μ = 0.3 및 μ = 0.57보다 마찰이 현저히 낮은 것을 특징으로 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 자연 대 실험실 재활성화 단풍. 왼쪽 그림에서 방해기31의주변 시그로이드 석재 가성 벽체가 풍부한 천연 활석이 풍부한 단풍의 예입니다. 오른쪽 그림은 웨이퍼32에마찰 테스트의 끝에 동일한 단풍을 보여줍니다. 마찰 테스트 중에 대부분의 미끄러짐은 필로실리케이트 층을 따라 마찰 슬라이딩에 의해 발생하며 원래의 미세 구조가 보존된다는 점에 유의하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
언급 할 가치가 중요한 점은이 절차와 함께 우리는 낮은 슬라이딩 속도 (즉, 0.01 μm / s < v < 100 μm /s)에서 실험으로 측정 된 정상 상태 고장 마찰 강도를 특성화한다는 것입니다. 마찰의 측정된 낮은 값은 장기간 유체 보조 반응 연화 및 단풍개발1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30으로인한 필로실리케이트-풍부한 결함의 약점을 보여준다. 이러한 낮은 마찰 강도는 정상 상태 또는 지진 사이클의 지진 전 단계에서 고장 강도를 평가하는 프록시로 사용될 수 있다. 따라서, 높은 미끄러짐 속도(즉, 10cm/s >)에서 발생하며 온도상승(33)에 의해 유도되는 중요한 동적 약화 메커니즘은 당사의 분석에서 고려되지 않는다.
프로토콜의 중요한 단계는 샘플 수집 및 준비와 다중합니다. 필로실리케이트는 (001) 기저 평면(즉, 단풍에 수직인 방향으로) 매우 낮은 인장 강도가 특징이므로, 현장에서 망치와 끌을 가지고 작업하는 동안 또는 실험실의 핸드 그라인더와 함께 작업하는 동안, 종종 암석 샘플이 떨어져 있고 성형 공정이 다시 시작됩니다. 따라서 실험을 실행하고 인내심을 가지고 무장하는 데 엄격하게 필요한 샘플보다 더 많은 샘플을 수집하는 것이 좋습니다.
기계적과 미세구조 데이터를 통합하기 전에, 자연적 결함 바위를 따라 관찰된 필로실리케이트가 풍부한 엽을 따라 마찰슬라이딩이 실험실에서 재현되는지, 또는 즉, 자연 결점 암석 미세구조가 웨이퍼에서 얻은 것과 유사하다는 것을 확인하는 것이중요하다(도 3).
필로실리케이트의 얇은 네트워크를 특징으로 하는 고체 웨이퍼에 대한 실험에서, 약한 광물 위상의 연속 층은 상당한 전단 (변위 > 12mm)동안 소비 될 수 있습니다. 이 단계에서 변형은 강력한 미네랄 상의 촉매제와 물리 석고를 따라 슬라이딩의 조합에 의해 수용된다. 이는 약 0.1 이상의13의마찰증가와 함께 경화되는 변형단계와 일치한다.
지각 결함의 마찰 특성의 특성화를 목표로 하는 암석 변형 실험의 대부분은 자연 고장 바위24,27 또는 사전절단된단층 암석에 분쇄 및 체질하여 얻은 분말에 의해 구성된 밀리메트릭 암석 층에서 수행된다. 이러한 유형의 실험은 고장 가우징(35)에서 또는 국소변형(36)의날카로운 미끄러짐 평면에서 변형이 발생하는 결함의 마찰 특성을 특성화하는 데 기본이다. 필로실리케이트가 풍부한 결함의 경우, 마찰이 적고 따라서 결함 약점은 필로실리케이트가 풍부한 네트워크의 상호 연결과 관련이 있으며, 현장에서 여러 번의 해부학 주 미끄럼 틀 에이치존이 나타납니다. 이는 소량의 필로실리케이트조차도 상호 연결이 매우 높은 경우 상당한 결함이 약화될 수 있음을 나타낸다37,38. 따라서, 고체 웨이퍼에 대한 실험실 실험의 최종 목표는 마찰 테스트 중에 필로실리케이트가 풍부한 층의 자연적인 연속성을 보존하는 것입니다.
강하고 약한 미네랄 상의 분말 혼합물에 대한 다른 실험실 실험은 약한단계(18,19,20,21,22)를첨가하여 결함이 약화되는 것을 문서화하였다. 그것은 필로실리케이트의 40-50 %의 양이 전단 중에 상호 연결되기 때문에 마찰의 상당한 감소를 유도하는 것으로 관찰되었습니다. 이것은 필로실리케이트 (즉, > 40%)의 큰 비율에 대해 웨이퍼 또는 분말에 대한 실험이25와유사하다는 것을 시사합니다.
필로실리케이트, 웨이퍼 또는 필로실리케이트 비율이 풍부한 천연 결함 암석의 다수에 대해 실시된 마찰 테스트의 컴파일은 40%> 40%의 다양한 실험 조건에서 마찰이 0.1-0.30 범위에 있음을 보여준다. 이것은 상당한 수의 갑각불량이 약하다는 것을 의미합니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
우리는 마르코 알바노가 암석 절단 절차를 위해 광학 현미경 및 SEM 및 도메니코 마네타를 다루는 비디오를 제공한 것을 인정합니다. 이 연구는 ERC 그랜트 유리 n° 259256 및 TECTONIC n° 835012 의해 지원되었습니다. 이 기여는 3 명의 익명 검토자의 의견과 비디오의 편집 제작 제안에 의해 크게 개선되었습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| disk mill | Plenty of companies | none | Standard disk mills to pulverize rocks |
| fault rock | Natural outcrops | none | All the outcrops rich in phyllosilicates worldwide |
| hammer and chisel | Plenty of companies | none | Standard hammer and chisel used by geologists |
| optical microscope | Plenty of companies | none | Standard microscope used for mineralogy |
| rock deformation apparatus | we use prototypes like BRAVA & BRAVA2.0 | none | Rock deformation apparatuses (Marone et al., 1998; Collettini et al., 2014) |
| saw to cut rocks | Plenty of companies | none | Standard saws to cat fault rocks |
| SEM, scanning electron microscope | Plenty of companies | none | Microscope to investigate microstructures at the micron scale |
| TEM, transmission electron microscope | Plenty of companies | none | Microscope to investigate microstructures at the nano scale |
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