Stoffets rolle i friktionsegenskaber af Phyllosilicate-Rich tektoniske fejl

Summary

Friktion af phyllosilicates-rige fejl klippet i deres in situ geometri er betydeligt lavere end friktion af deres pulveriserede ækvivalenter.

Abstract

Mange rock deformation eksperimenter, der anvendes til at karakterisere friktionsegenskaberne af tektoniske fejl udføres på pulveriseret fejl klipper eller på nøgne rock overflader. Disse eksperimenter har været grundlæggende for at dokumentere friktionsegenskaberne af granulære mineralfaser og give bevis for crustal fejl karakteriseret ved høj friktion. Men de kan ikke helt fange friktionsegenskaberne af fejl, der er rige på phyllosilicates.

Talrige undersøgelser af naturlige fejl har dokumenteret væske-assisteret reaktion blødgøring fremme udskiftning af stærke mineraler med phyllosilicates, der er fordelt i kontinuerlige foliationer. For at studere, hvordan disse foliated stoffer påvirker friktionsegenskaberne af fejl, vi har: 1) indsamlede foliated phyllosilicate-rige klipper fra naturlige fejl; 2) skære fejlen rock prøver for at opnå faste wafers 0,8-1,2 cm tyk og 5 cm x 5 cm i området med foliation parallelt med 5x5cm ansigt wafer; 3) udført friktionstest på både faste wafere, der er forsvindet i deres in situ-geometri og pulvere, fremstillet ved knusning og sigtelse og dermed forstyrret foliationen af de samme prøver 4) genvundet prøverne til mikrostrukturelle undersøgelser fra stenprøverne efter forsøget og 5) udførte mikrostrukturelle analyser via optisk mikroskopi, scanning og transmissionselektronmikroskopi.

Mekaniske data viser, at de faste prøver med veludviklet foliation viser betydeligt lavere friktion i forhold til deres pulveriserede ækvivalenter. Mikro- og nanostrukturelle undersøgelser viser, at lav friktion skyldes at glide langs foliationsfladerne, der består af phyllosilicates. Når de samme klipper er pulveriseret, friktionsstyrke er høj, fordi glidende er indkvarteret ved frakturering, korn rotation, oversættelse og tilhørende udvidelse. Friktionstest viser, at foliated fejl klipper kan have lav friktion, selv når phyllosilicates udgør kun en lille procentdel af den samlede rock volumen, hvilket indebærer, at et betydeligt antal crustal fejl er svage.

Introduction

Det overordnede mål med denne procedure er at teste friktionsegenskaberne af intakte phyllosilicate-rige fejl, der er forskydet i deres in situ-geometri, og at vise, at deres friktion er betydeligt lavere end friktion opnået fra eksperimenter udført på pulvere af samme materiale.

Talrige geologiske undersøgelser har dokumenteret væskeassisteret reaktionsblødning under den langsigtede udvikling af tektoniske fejl. Blødgøring sker ved udskiftning af stærke mineraler, som kvarts, feldspar, calcit, dolomit, olivin, pyroxen, med svage phyllosilicates^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}. Denne svækkelse stammer fra kornskalaen og skyldes hovedsageligt glidende, ved meget lav friktion, langs phyllosilicate foliae, der handler sammen for at producere en form for smøring. Fra kornskalaen overføres fejl svækkelse til hele fejlzonen via sammenkoblingen af de phyllosilicate-rige zoner¹¹. For at fange den rolle friktionsmæssige glidende langs sammenkoblede phyllosilicate foliae, intakte faste wafers af naturlige fejl-rock prøver er blevet klippet i deres in situ geometri under rock deformation eksperimenter^12,13,14. Ved forsøgets afslutning er der udført mikrostrukturelle undersøgelser af de testede prøver for at kontrollere, om deformationen effektivt blev imødekommet ved friktionsglidning langs fyllosilicats folien.

I sammenligning med traditionelle friktionstest udført på pulveriserede materialer fremstillet af knusning og sigtelse af fejlstenen kan eksperimenter på intakte wafere fange friktionsglidningen langs de sammenkoblede phyllosilicate-rige lag dannet af væskeassisteret reaktionsblødning. Faktisk forstyrrer knusning og sigtelse af fejlstenen forbindelsen mellem phyllosilicate-lagene under pulverforberedelsen, og når materialet skæres i laboratoriet, favoriserer fraværet af kontinuerlige phyllosilicate horisonter en deformation, der hovedsagelig består af kornknusning, rotation og oversættelse, hvilket resulterer i høj friktion.

Eksperimenter med faste wafers viser en betydeligt lavere friktion i forhold til eksperimenter på pulveriseret materiale fremstillet af samme stentype, især når procentdelen af phyllosilicates er < 40%¹⁵. Med stigende phyllosilicate overflod er en reduktion i friktion også blevet dokumenteret til test på pulveriseret materiale, da den store mængde phyllosilicater i dette tilfælde er tilstrækkelig til at fremme sammenkoblingen af de svage mineralfaser gennem hele eksperimentfejlen^{16,17,18,19, 20,21,22}. Alternativt er der udført andre typer friktionstest på pulvere, der består af 100 % svage mineralfaser^23,24^,25, for at simulere friktionsglidning på de sammenkoblede svage lag .

Geometrisk fejl svækkelse fremmes af rock stof i deformation eksperimenter ved høj temperatur, og derfor repræsentativ for den duktil litosfæren, har været velkendt i mange år²⁶. Resultaterne fra den procedure, der præsenteres her, tyder på, at phyllosilicate stof fremmer fejl svækkelse også for et stort antal fejl indeholdt i seismogene øvre skorpe.

Protocol

1. Rock prøve samling

1. I en veludlagt outcrop af en naturlig phyllosilicate-rige fejl, skal du vælge den rigtige eksponering (fejl rock velbevaret langs et plan, der indeholder fejl lineation), hvor at indsamle en repræsentativ rock prøve for eksperimenter. Pas på at vælge en fejlsten med en foliationafstand, der ikke er større end et par millimeter. Dette gøres for at fange phyllosilicate horisonter i rektangulære wafers op til 1,5 cm tyk, der vil blive klippet under friktion eksperimenter.
2. Brug en hammer og mejsel til at opnå en fejl rock prøve med et areal på ca 10 cm x 10 cm og tykkelse på mere end 3 cm.
3. Mærk følelsen af forskydning på stenprøven, baseret på kinematiske indikatorer observeret i marken (f.eks slickensider, foliations, trækfolder osv.).
   BEMÆRK: Prøvens areal kan være mindre end 10 cm x 10 cm, men det skal være større end 5 cm x 5 cm, der er dimensionen af forsøgsapparatets tvingende blokke.
   FORSIGTIG: De foliated rock prøver er meget friable og derfor efter indsamlingen kan det være nyttigt at pakke prøven med nogle tape eller en plastikfilm. Det er obligatorisk, at indsamlede prøver ikke ændres ved forvitring, og at disse klipper derfor repræsenterer fejlstenen på seismogen dybde.

2. Prøveforberedelse til friktionsforsøg i dobbelt direkte forskydningskonfiguration

1. Skær stenprøven for at opnå rektangulære wafere, der passer til de tvingende blokke af klippedeformationsapparatet. Dette opnås normalt i to trin: i det første trin skal du bruge en standardlaboratoriesav til at opnå en stenprøve, der er lidt større end de tvingende blokke; for det andet skal du bruge en højpræcisions roterende klinge eller en håndsliber til at forme wafere 5 cm x 5 cm i området og 0,8-1,2 cm tykkelse (Figur 1, til venstre). For en standard dobbelt-direkte forskydning test, vil to wafers af samme rock være forpligtet til at udføre et enkelt eksperiment. Under cut and shaping-proceduren skal det sikres, at naturlige phyllosilicate-rige forskydningsplan, der er indeholdt i prøven, opretholdes parallelt med overfladen af de tvingende blokke. Det betyder, at foliationen er parallel med waferens 5 cm x 5 cm ansigt.
2. Brug en diskmølle til at knuse det resterende materiale fra udskæringen af de intakte prøver og sigte materialet for at opnå pulvere med kornstørrelse <125 μm (Figur 1, højre).
3. Monter to identiske wafere på rustfrit stål tvinger blokke med nominel friktionskontakt område på 5 cm × 5 cm og derefter samle dem med den centrale tvinger blok til at komponere den symmetriske dobbelt direkte forskydning konfiguration.
   BEMÆRK: Det er vigtigt, at den forskydningssans, som maskinen pålægger prøven, falder sammen med den naturlige følelse af forskydning, der er registreret på waferen og markeret på punkt 1.3.
4. Brug pulverene til at konstruere to identiske klippelag med tykkelse på ca. 5 mm og et areal på 5 cm x 5 cm². For disse pulveriserede stenprøver ødelægges den naturlige foliation ved prøveforbehørsproceduren med en diskmølle. Brug en præcis nivellering jig at opnå en ensartet og reproducerbar rock lag bestående af pulveriseret materiale. Komponere den symmetriske dobbelt direkte forskydning samling.

3. Friktionseksperimenter

1. I et biaksialt apparat^27,28 bruge den vandrette servo-kontrollerede hydrauliske stempel til at anvende og opretholde en konstant normal belastning på rockprøven.
2. Påfør forskydningsbelastning ved konstant forskydningshastighed, normalt 10 μm/s, via det lodrette servostyrede hydrauliske stempel.
   BEMÆRK: Belastninger måles via to belastningsmålerbelastningsceller (nøjagtighed 0,03 kN) placeret mellem vædderen og prøvesamlingen. Vandrette og lodrette forskydninger måles ved hjælp af LVDT (lineære variabel differentialtransducere) med en nøjagtighed på 0,1 μm, der refereres til ved belastningsrammen og oversiden af ram^27,28.
3. Karakterisere alle eksperimenter ved en indledende stammehærdning, hvor forskydningsstresset stiger hurtigt under elastisk belastning, før et udbyttepunkt, efterfulgt af forskydning ved en steady-state værdi af friktionsstress.

4. Indsamling af prøver efter forsøg

1. Ved afslutningen af friktionstesten skal du forsigtigt udtrække den eksperimentelle fejl. Gummibånd eller tape kan påføres prøven før belastning fjernelse for at opretholde integriteten af de deforme klipper.
2. Imprægnere med epoxyharpiks rockprøverne. Hvis det er muligt for pulverforsøg, undgå vakuumimprægnering for at forhindre skader på den oprindelige mikrostruktur ved den tvungne strøm af harpiksen i prøven.
3. Skær disse stenprøver parallelt med den eksperimentelle forskydningsretning. Der er flere måder at spore den eksperimentelle forskydning retning. I vores dobbelte direkte forskydningskonfiguration bearbejdes overfladerne på stålskydeblokke i kontakt med gougelag med riller, der er 0,8 mm høje og fordelt 1 mm for at undgå at glide ved grænsefladen mellem gouges og stål og for at sikre forskydningsdeformation i gouges, derfor er forskydningsretningen i vores eksperimenter vinkelret på riller.
4. Byg tynde sektioner fra nedskæringerne til mikrostrukturelle undersøgelser.

5. Mikrostrukturel analyse

1. Undersøg med et optisk mikroskop for at karakterisere mikrostrukturen i bulkfejlzonen.
2. Brug et scanningselektronmikroskop (SEM) til at undersøge de vigtigste deformationsprocesser.
3. Brug et transmissionselektronmikroskop (TEM) til at få oplysninger om deformationsprocesserne på nanoskalaen. Oplysninger om, hvordan du udfører mikrostrukturanalyse , findes i tidligere publikationer^{4,5,6,7,8,9,10,29}.

Representative Results

I et diagram over normal stress vs forskydning stress både fast foliated og pulveriseret prøver plot langs en linje i overensstemmelse med en skør fiasko kuvert, men de faste wafers har friktion værdier betydeligt lavere end deres pulveriserede analoger³⁰. For eksempel har foliated fejlklipper ved hver normal stress i det specifikke tilfælde af en talkumrig foliation en friktionskoefficient, der er 0,2-0,3 lavere end pulverene fremstillet af dem (Figur 2 og¹²). Den lavere friktion forklares ved mikrostrukturelle undersøgelser af de testede klipper, der viser, at de glidende overflader af de foliated faste wafere forekommer langs den allerede eksisterende phyllosilicate-rige foliation. TEM billeder viser, at slip er hovedsageligt indkvarteret af (001) let glidende forbundet med interlayer delamination. I modsætning hertil viser eksperimentelle mikrostrukturer fra det pulveriserede materiale, at betydelig deformation imødekommes af kornstørrelsesreduktion og lokalisering.

Selv om de foliated wafers af intakte fejlsten og deres pulvere har identiske mineralogiske sammensætninger, viser de foliated prøver friktion, der er betydeligt lavere end deres pulveriserede analoger. Mikrostrukturelle undersøgelser tyder på, at den lavere friktion (dvs. fejlsvaghed) af de foliated fault rocks skyldes reaktivering af de allerede eksisterende naturlige phyllosilicate-rige overflader, der er fraværende i de pulveriserede prøver, da prøveforberedelsestrinene (2.2 - 2.4) forstyrrer dem.

Figur 1: Repræsentative billeder af de testede fejlsten: massivt foliated vs. pulveriseret materiale. (venstre)Faste foliated prøver forsvindlet parallelt med den naturlige foliation, der er markeret med pilene. (højre) Pulvere opnået ved knusning og sigtning af den faste foliated rock. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: Friktionstest på samme materiale (talkumrig foliation), men faste foliatedprøver vs. pulveriseret sten. Hvert datasæt plot langs en linje i overensstemmelse med en skør fejl kuvert, men de faste foliated klipper er karakteriseret ved friktion betydeligt lavere end deres pulveriseret analog, friktion, μ = 0,3 og μ = 0,57 henholdsvis. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: Naturlig vs. reaktiveret foliation i naturlig vs. laboratorium. I venstre billede et eksempel på en naturlig talkum-rige foliation med omgivende sigmoidal clasts af calcit³¹. Det rigtige billede viser den samme foliation i slutningen af en friktionstest på wafers³². Bemærk, at det meste af slipet under friktionstesten sker ved friktionsglidning langs phyllosilicate lagene, og at den oprindelige mikrostruktur bevares. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Et vigtigt punkt værd at nævne er, at vi med denne procedure karakteriserer den konstante tilstand fejlfriktionsstyrke, målt med eksperimenter ved lave glidende hastigheder (dvs. 0,01 μm / s < v < 100 μm / s). De målte lave friktionsværdier viser svagheden ved phyllosilicate-rige fejl som følge af langsigtet væskeassisteret reaktionsblødning og foliation udvikling^{1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30}. Denne lave friktionsstyrke kan bruges som en proxy til at evaluere fejlstyrken ved steady-state eller i de præ-seismiske faser af den seismiske cyklus. Derfor tages de vigtige dynamiske svækkelsesmekanismer, der forekommer ved høje glidehastigheder (dvs. > 10 cm / s) og induceret af temperaturstigning^33, ikke overvejet i vores analyse.

De kritiske trin i protokollen tager hensyn til indsamling og forberedelse af stikprøven. Da phyllosilicates er karakteriseret ved meget lav trækstyrke i retning vinkelret på (001) basale planer (dvs. i retning vinkelret på foliation), under arbejdet med hammeren og mejslet i marken eller med håndkværnen i laboratoriet falder stenprøverne ofte fra hinanden, og formningsprocessen skal genstartes. Derfor anbefales det stærkt at indsamle flere prøver end dem, der strengt kræves for at køre eksperimenter og bevæbne dig selv med tålmodighed.

Før mekaniske integrationer med mikrostrukturelle data, er det vigtigt at kontrollere, at friktionsglid langs den phyllosilicate-rige foliae observeret langs naturlige fejl klipper er gengivet i laboratoriet, eller med andre ord, at den naturlige fejl rock mikrostruktur svarer til den, der opnås ved klipning wafer (Figur 3).

I forsøg med faste wafere karakteriseret ved tynde netværk af phyllosilicates kan de kontinuerlige lag af svage mineralfaser forbruges under betydelig klipning (forskydning > 12 mm). På dette stadium er deformationen imødekommet af en kombination af kataclasis af de stærke mineralfaser og glidende langs phyllosilicates. Dette falder sammen med en fase af stammehærdning med en stigning i friktion på ca. 0,1 eller mere¹³.

De fleste af rock deformation eksperimenter, der er rettet mod karakterisering af friktionsegenskaberne af tektoniske fejl, udføres på millimetriske klippelag, der er sammensat af pulvere opnået ved knusning og sigtning af naturlige fejl klipper^24,27 eller på fejl klipper, der er forskåret³⁴. Disse typer af eksperimenter er grundlæggende for at karakterisere friktionsegenskaber af fejl, hvor deformationen sker på fejl gouges³⁵ eller langs skarpe glidende planer af lokaliseret deformation³⁶. For fejl rig på phyllosilicates, lav friktion og dermed fejl svaghed er relateret til sammenkoblingen af de phyllosilicate-rige netværk, som i marken manifesteres af flere anastomosing vigtigste slip zoner. Dette indikerer , at selv en lille mængde phyllosilicates kan fremkalde betydelig fejl svækkelse, hvis deres sammenkobling er meget høj^37,38. Derfor er det endelige mål med vores laboratorieforsøg på faste wafere at bevare den naturlige kontinuitet i de phyllosilicate-rige lag under friktionstest.

Andre laboratorieforsøg med pulveriserede blandinger af stærke og svage mineralfaser har dokumenteret fejlsvydning ved tilsætning af de svage faser^{18,19,20,21,22}. Det er blevet bemærket, at mængder på 40-50% af phyllosilicates fremkalder en betydelig reduktion i friktionen, fordi de under klipning bliver forbundet. Dette tyder på, at for store procentdele af phyllosilicates (dvs. > 40%), eksperimenter på wafers eller pulvere er ens²⁵.

En samling af friktionstest udført på et stort antal naturlige fejl klipper rig på phyllosilicates, wafers eller pulveriseret materiale med phyllosilicates procenter > 40%, under en bred vifte af eksperimentelle forhold viser, at friktion er i intervallet 0,1-0,3³⁰. Dette indebærer, at et betydeligt antal crustal fejl er svage.

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