תפקיד הבד בתכונות חיכוך של תקלות טקטוניות עשירות בפילוסיליקט

Summary

חיכוך של פגמים עשירים בפילוסיליקטים שנטענו בגיאומטריה שלהם במקום נמוך משמעותית מחיכוך של המקבילות האבקה שלהם.

Abstract

ניסויים רבים בעיוות סלע המשמשים לאפיון התכונות החיכוכיות של תקלות טקטוניות מבוצעים על סלעי שבר אבקה או על משטחי סלע חשופים. ניסויים אלה היו בסיסיים כדי לתעד את המאפיינים החיכוך של שלבים מינרליים פרטניים ולספק ראיות לפגמים קרום המאופיין חיכוך גבוה. עם זאת, הם לא יכולים ללכוד לחלוטין את המאפיינים החיכוך של תקלות עשירות פילוסיליקטים.

מחקרים רבים של תקלות טבעיות תיעדו ריכוך תגובה בסיוע נוזלים לקידום החלפת מינרלים חזקים עם פילוסיליקטים המופצים לעלים מתמשכים. כדי לחקור כיצד בדים עלווה אלה משפיעים על תכונות החיכוך של תקלות שיש לנו: 1) אספו סלעים עשירים בפילוסיליקט מפגמים טבעיים; 2) לחתוך את דגימות סלע השבר כדי להשיג ופלים מוצקים 0.8-1.2 ס"מ עובי 5 ס"מ x 5 ס"מ באזור עם העלווה במקביל לפני 5x5 ס"מ של רקיק; 3) ביצעו בדיקות חיכוך על ופלים מוצקים גועים בגיאומטריה ובאבקות שלהם במקום, המתקבלים על ידי ריסוק וסיבול ולכן משבשים את העלווה של אותן דגימות; 4) התאושש הדגימות עבור מחקרים מיקרו מבנים מן דגימות סלע לאחר הניסוי; ו-5) ביצעו ניתוחים מיקרו-מבניים באמצעות מיקרוסקופיה אופטית, סריקה ומיקרוסקופיית אלקטרונים שידור.

נתונים מכניים מראים כי דגימות מוצקות עם עלווה מפותחת מראים חיכוך נמוך משמעותית בהשוואה המקבילות אבקת שלהם. מחקרים מיקרו-וננו-מבניים מראים כי חיכוך נמוך נובע מגלישה לאורך משטחי העלווה המורכבים מפילוסיליקטים. כאשר אותם סלעים הם אבקה, כוח חיכוך הוא גבוה, כי הזזה הוא התאכסן על ידי שבירה, סיבוב תבואה, תרגום ו פירוק נלווה. בדיקות חיכוך מצביעות על כך שסלעי שבר עלווה עשויים להיות בעלי חיכוך נמוך גם כאשר פילוסילקטיים מהווים רק אחוז קטן מנפח הסלע הכולל, מה שמרמז על כך שמספר משמעותי של תקלות קרום חלשות.

Introduction

המטרה הכוללת של הליך זה היא לבחון את התכונות החיכוכיות של פגמים עשירים פילוסיליקטים שלמים גועך בגיאומטריה שלהם במקום ולהראות כי החיכוך שלהם נמוך משמעותית מאשר חיכוך המתקבל מניסויים שנערכו על אבקות של אותו חומר.

מחקרים גיאולוגיים רבים תיעדו ריכוך תגובה בסיוע נוזל במהלך האבולוציה ארוכת הטווח של תקלות טקטוניות. ריכוך מתרחשת על ידי החלפת מינרלים חזקים, כמו קוורץ, פצלת לעזאזל, קלציט, דולומיט, אוליבין, פירוקסן, עם פילוסילקטים חלשים^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}. היחלשות זו מקורה בקנה מידה של תבואה והיא נובעת בעיקר מגלישה, בחיכוך נמוך מאוד, לאורך פוליה פילוסיליקט הפועלים יחד כדי לייצר צורה של סיכה. בקנה מידה של תבואה, היחלשות התקלות מועברת לאזור השבר כולו באמצעות הקישוריות של האזורים העשירים בפילוסיליקט¹¹. כדי ללכוד את התפקיד של גלישה חיכוך לאורך פוליה פילוסילית מחוברת, ופלים מוצקים שלמים של דגימות סלע תקלות טבעי כבר גזז בגיאומטריה שלהם במקום במהלך ניסויים עיוות סלע^12,13,14. בסוף הניסוי, מחקרים מיקרו-מבניים על הדגימות שנבדקו בוצעו כדי לבדוק אם העיוות התאכסן ביעילות על ידי החלקה חיכוך לאורך פוליה פילוסילית.

בהשוואה לבדיקות חיכוך מסורתיות המבוצעות על חומרי אבקה המתקבלים ממיסוק וסינון סלע השבר, ניסויים על ופלים שלמים יכולים ללכוד את הגלישה החיכוכית לאורך השכבות העשירות בפילוסיליקט מחוברות שנוצרו על ידי ריכוך תגובה בסיוע נוזלים. למעשה, במהלך תהליך הכנת האבקה, ריסוק וסיבוב של סלע השבר משבש את הקישוריות של שכבות הפילוסילקאט וכאשר החומר גועך במעבדה, היעדר אופקים פילוסיליים רציפים מעדיף עיוות המורכב בעיקר מריסוק תבואה, סיבוב ותרגום וכתוצאה מכך חיכוך גבוה.

ניסויים על ופלים מוצקים מראים חיכוך נמוך משמעותית בהשוואה לניסויים על חומר אבקתי המתקבל מאותו סוג סלע, במיוחד כאשר אחוז הפילוסיליקטים הוא < 40%¹⁵. עם שפע phyllosilicate גדל, ירידה בחיכוך תועדה גם עבור בדיקות על חומר אבקת, שכן במקרה זה נפח גדול של פילוסיליקטים מספיק כדי לקדם קישוריות של שלבי המינרלים החלשים באמצעות כל התקלה הניסיונית^{16,17,18,19,20,21,22}. לחלופין, כדי לדמות גלישה חיכוכית על השכבות החלשות מחוברות, סוגים אחרים של בדיקות חיכוך בוצעו על אבקות המורכבות 100% שלבים מינרליים חלשים^23,24,25.

היחלשות תקלה גיאומטרית מקודמת על ידי בד סלע בניסויי עיוות בטמפרטורה גבוהה, ולכן מייצגת את lithosphere רקיע, כבר ידוע במשך שנים רבות²⁶. התוצאות שהתקבלו מההליך המוצג כאן מצביעות על כך שבדי פילוסיליקט מקדמים היחלשות תקלות גם עבור מספר רב של תקלות הכלולות בתוך הקרום העליון הסייסמוגני.

Protocol

1. אוסף דוגמאות סלע

1. במחשוף חשוף היטב של תקלה טבעית עשירה בפילוסיליקט, בחר את החשיפה הנכונה (סלע תקלות השתמר היטב לאורך מטוס המכיל קו שבר) היכן לאסוף דגימת סלע מייצגת לניסויים. הדאג לבחור סלע תקלה עם מרווח עלווה לא גדול יותר מכמה מילימטרים. זה נעשה כדי ללכוד אופקים phyllosilicate ופלים מלבניים עד 1.5 ס"מ עובי כי יהיה גיזום במהלך ניסויי חיכוך.
2. השתמש פטיש ואזמל כדי לקבל דגימת סלע תקלה עם שטח של כ 10 ס"מ x 10 ס"מ ועובי של יותר מ 3 ס"מ.
3. סמנו את תחושת הגזירה על דגימת הסלע, בהתבסס על אינדיקטורים קינמטיים שנצפו בשדה (למשל, חלקלקים, עלווה, קפלי גרירה וכו ').
   הערה: שטח המדגם יכול להיות קטן יותר מ 10 ס"מ x 10 ס"מ, אבל זה חייב להיות גדול יותר מ 5 ס"מ x 5 ס"מ כי הוא הממד של בלוקים מכריחים של המנגנון הניסיוני.
   זהירות: דגימות הסלע העלווה הן פריכות מאוד ולכן לאחר האוסף זה עשוי להיות שימושי כדי לעטוף את המדגם עם כמה קלטת או סרט פלסטיק. חובה כי דגימות שנאספו אינן משתנות על ידי בלייה ולכן סלעים אלה מייצגים את סלע השבר בעומק סייסמוגני.

2. הכנה לדוגמה לניסויי חיכוך בתצורת הטיה הישירה הכפולה

1. חותכים את דגימת הסלע כדי להשיג ופלים מלבניים שמתאימים לבלוקים הכופים של מנגנון עיוות הסלע. זה מושג בדרך כלל בשני שלבים: בשלב הראשון, להשתמש מסור מעבדה סטנדרטי כדי להשיג דגימת סלע כי הוא קצת יותר גדול מאשר בלוקים מכריח; שנית, השתמשו בלהב סיבובי מדויק או במטחנה יד כדי לעצב ופלים בגודל 5 ס"מ על 5 ס"מ ועובי של 0.8-1.2 ס"מ(איור 1,משמאל). עבור מבחן גיזה כפול-ישיר סטנדרטי, יידרשו שני ופלים מאותו סלע לבצע ניסוי יחיד. במהלך הליך החיתוך והעצב, ודאו שמטוסי הגמירה הטבעיים העשירים בפילוסיליקט הכלולים במדגם נשמרים במקביל לפני השטח של בלוקי הכפייה. משמעות הדבר היא כי העלווה מקבילה 5 ס"מ x 5 ס"מ הפנים של רקיק.
2. השתמש בטחנת דיסק כדי למחוץ את החומר הנותר מהחתך של הדגימות השלמות ולמסנום את החומר כדי להשיג אבקות בגודל תבואה בגודל <125 מיקרומטר (איור 1,נכון).
3. הר שני ופלים זהים על נירוסטה מכריח בלוקים עם אזור מגע חיכוך נומינלי של 5 ס"מ × 5 ס"מ ולאחר מכן להרכיב אותם עם בלוק מכריח מרכזי כדי לחבר את תצורת הטיה ישירה כפולה סימטרית.
   הערה: חשוב כי חוש הגיסת שהטילה המכונה על המדגם עולה בקנה אחד עם התחושה הטבעית של גיסת נרשם על רקיק מסומן בנקודה 1.3.
4. השתמש אבקות לבנות שתי שכבות סלע זהה עם עובי של כ 5 מ"מ ושטח של 5 ס"מ x 5 ס"מ². עבור דגימות סלע אבקה אלה, העלווה הטבעית נהרסת על ידי הליך הכנת המדגם עם טחנת דיסק. השתמש בג'יג פילוס מדויק כדי להשיג שכבת סלע אחידה לשחזור המורכבת מחומר אבקתי. חבר את הרכבה הסימטרית הכפולה הישירה.

3. ניסויי חיכוך

1. במנגנון biaxial^27,28 להשתמש בוכנה הידראולית מבוקר סרוו אופקית כדי להחיל ולשמור על מתח נורמלי קבוע לדגימת הסלע.
2. החל מתח גזיזה בקצב תזוזה קבוע, בדרך כלל 10 מיקרומטר /s, באמצעות בוכנה הידראולית מבוקר סרוו אנכית.
   הערה: עומסים נמדדים באמצעות שני תאי עומס מד המתח (דיוק 0.03 kN) הממוקמים בין האיל לבין ההרכבה לדוגמה. תזוזות אופקיות ואנכיות נמדדות על ידי LVDT (מתמרים דיפרנציאליים משתנים ליניאריים), עם דיוק של 0.1 מיקרומטר, המוזכרים במסגרת העומס ובצד העליון של ה- RAM^27,28.
3. לאפיין את כל הניסויים על ידי התקשות זן ראשוני, שבו מתח הגיזה עולה במהירות במהלך טעינה אלסטית, לפני נקודת תשואה, ואחריו גיזה בערך מצב יציב של מתח חיכוך.

4. איסוף מדגמים לאחר ניסוי

1. בסוף בדיקת החיכוך, לחלץ בזהירות את התקלה הניסיונית. גומיות או סרט הדבקה ניתן להחיל על המדגם לפני הסרת עומס כדי לשמור על שלמות הסלעים המעוותים.
2. תסתיר עם שרף אפוקסי בדגימות הסלע. אם אפשר לניסויי אבקה, הימנעו מהפרת ואקום כדי למנוע נזק למבנה המיקרו המקורי על ידי הזרימה הכפויה של השרף לתוך המדגם.
3. חותכים את דגימות הסלעים האלה במקביל לכיוון הגיסה הניסיונית. ישנן מספר דרכים לעקוב אחר כיוון הגיור הניסיוני. בתצורת הגזזה הישירה הכפולה שלנו, המשטחים של גושי הזזה מפלדה במגע עם שכבות חריצים ממוינים בחריצים בגובה 0.8 מ"מ ומרווחים 1 מ"מ כדי למנוע החלקה בממשק בין חריצים ופלדה ולהבטיח עיוות גזזה בתוך החריצים, ולכן בניסויים שלנו כיוון הגזזה מאונך לחריצים.
4. לבנות חלקים דקים מן החתכים למחקרים מיקרו מבנים.

5. ניתוח מיקרו-מבני

1. לחקור באמצעות מיקרוסקופ אופטי כדי לאפיין את המיקרו-מבנה של אזור התקלה בתפזורת.
2. השתמש במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) כדי לחקור את תהליכי העיוות העיקריים.
3. השתמש במיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM) כדי לקבל פרטים על תהליכי העיוות בקנה המידה הננומטרי. פרטים על אופן ביצוע ניתוח מיקרו-מבנים ניתן למצוא בפרסומים קודמים^{4,5,6,7,8,9,10,29}.

Representative Results

בתרשים של מתח רגיל לעומת מתח גיזה הן מוצק עלווה אבקה דגימות להתוות לאורך קו עולה בקנה אחד עם מעטפת כישלון שבירה, אבל ופלים מוצקים יש ערכי חיכוך נמוך משמעותית מאשר אנלוגים אבקת שלהם³⁰. לדוגמה, במקרה הספציפי של עלווה עשירה בטלק, סלעי שבר עלווה בכל מתח רגיל יש מקדם חיכוך כי הוא 0.2-0.3 נמוך יותר האבקות שנעשו מהם(איור 2 ו^12). החיכוך התחתון מוסבר על ידי מחקרים מיקרו-מבניים של הסלעים שנבדקו המראים כי משטחי ההזזה של ופלים מוצקים עלווה מתרחשים לאורך העלווה הקיימת עשירה בפילוסיליקט. תמונות TEM מראות כי החלקה מאוכלסת בעיקר על-ידי (001) החלקה קלה הקשורה לזיהוי בין-שכבתי. לעומת זאת, מיקרו מבנים ניסיוניים מחומר אבקת להראות כי עיוות משמעותי מתאים על ידי הפחתת גודל תבואה לוקליזציה.

למרות שהוופלים העלויים של סלעי שבר שלמים והאבקות שלהם יש קומפוזיציות מינרלוגיות זהות, הדגימות העלויות מראות חיכוך נמוך משמעותית מהאנלוגיות האבקתיות שלהם. מחקרים מיקרו-מבניים מצביעים על כך החיכוך התחתון (כלומר, חולשת השבר) של סלעי השבר העלווה נובע מהפעלה מחדש של המשטחים הטבעיים הקיימים העשירים בפילוסיליקט הנעדרים בדגימות האבקה מאז שלבי הכנת המדגם (2.2 - 2.4) משבשים אותם.

איור 1: תמונות מייצגות של סלעי השבר שנבדקו: חומר מוצק עלווה לעומת אבקתי. (משמאל)דגימות עלווה מוצקות גועסות במקביל לעלייה הטבעית המסומנת על ידי החצים. (מימין) אבקות המתקבלות על ידי ריסוק וסיפוף הסלע המוצק בעל העלווה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: בדיקות חיכוך על אותו חומר (עלווה עשירה בטלק) אך דגימות עלווה מוצקות לעומת אבקת סלעים. כל ערכת נתונים מתווה לאורך קו התואם למעטפת כשל שבירה, אך הסלעים העלווה המוצקים מאופיינים בחיכוך נמוך משמעותית מהאנלוגי, החיכוך, μ = 0.3 ו- μ = 0.57 בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: עלווה טבעית לעומת מעבדה. בתמונה השמאלית דוגמה לעליפה טבעית עשירה בטלק עם ההקלות הסיגמיואידיות שמסביב של קלציט³¹. התמונה הנכונה מציגה את אותה עלווה בסוף מבחן חיכוך על^{ופלים 32}. שים לב כי במהלך בדיקת החיכוך רוב החלקה מתרחשת על ידי החלקה חיכוך לאורך שכבות phyllosilicate וכי המיקרו המקורי נשמר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

נקודה חשובה שראוי להזכיר היא כי עם הליך זה אנו מאפיינים את כוח חיכוך תקלת מצב יציב, נמדד עם ניסויים במהירויות הזזה נמוכות (כלומר, 0.01 מיקרומטר / s < v < 100 מיקרומטר / s). הערכים הנמוכים שנמדדו של חיכוך ממחישים את החולשה של תקלות עשירות בפילוסיליקט הנובעות מריכוך תגובה בסיוע נוזלים לטווח ארוך ופיתוח עלווה^{1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30}. כוח חיכוך נמוך זה יכול לשמש פרוקסי כדי להעריך את כוח השבר במצב יציב או במהלך השלבים הטרום סייסמיים של המחזור הסיסמי. לכן, מנגנוני ההיחלשות הדינמיים החשובים המתרחשים במהירויות החלקה גבוהות (כלומר, > 10 ס"מ לשנייה) ומושרים על ידי עליית^{טמפרטורה 33} אינם נחשבים בניתוח שלנו.

השלבים הקריטיים בפרוטוקול מתייחסים לאיסוף והכנת המדגם. מאז phyllosilicates מאופיינים על ידי חוזק מתיחה נמוך מאוד בכיוון בניצב (001) מישורי בזאלי (כלומר, בכיוון מאונך לעלייה), במהלך העבודה עם הפטיש והאזל בשדה או עם מטחנת היד במעבדה, לעתים קרובות דגימות הסלע מתפרקות ותהליך עיצוב צריך להתחיל מחדש. לכן, מומלץ מאוד לאסוף יותר דגימות מאלה הנדרשים בהחלט כדי להפעיל ניסויים ולחמש את עצמך בסבלנות.

לפני שילוב מכני עם נתונים מיקרו-מבניים, חשוב לבדוק כי הגלישה החיכוכית לאורך הפוליה העשירה בפילוסיליקט שנצפו לאורך סלעי שבר טבעיים משוחזרת במעבדה, או במילים אחרות, המיקרו-מבנה הטבעי של סלע השבר דומה לזה המתקבל מגיזת הוופל (איור 3).

בניסויים על ופלים מוצקים המאופיינים ברשתות דקות של פילוסילקטים, ניתן לצרוך את השכבות הרציפה של שלבים מינרליים חלשים במהלך גזיזה משמעותית (עקירה > 12 מ"מ). בשלב זה העיוות מאוכלס על ידי שילוב של אסון של שלבי המינרלים החזקים והחלקה לאורך הפילוסיליקטים. זה עולה בקנה אחד עם שלב של התקשות המתח עם עלייה בחיכוך של כ 0.1 או יותר¹³.

רוב ניסויי עיוות הסלע, שמטרתם אפיון המאפיינים החיכוכיים של תקלות טקטוניות, מבוצעים על שכבות סלע מילימטריות המורכבות מאבקות המתקבלות על ידי ריסוק וסיפוי סלעי שבר טבעיים^24,27 או על סלעי שבר שנחתכו מראש³⁴. סוגים אלה של ניסויים הם בסיסיים כדי לאפיין את המאפיינים החיכוכיים של תקלות שבו העיוות מתרחש על חריצי תקלה³⁵ או לאורך מישורים מחליקים חדים של עיוות מקומי³⁶. עבור תקלות עשירות בפילוסיליקטים, חיכוך נמוך ומכאן חולשת תקלות קשורה לקישוריות של הרשתות העשירות בפילוסיליקט, אשר בתחום מתבטאת על ידי אזורי החלקה עיקריים מרובים. זה מצביע על כך שאפילו כמות קטנה של פילוסיליקטים יכולה לגרום להיחלשות תקלה משמעותית אם הקישוריות ההדדית שלהם גבוהה מאוד^37,38. לכן, המטרה הסופית של ניסויי המעבדה שלנו על ופלים מוצקים היא לשמר את ההמשכיות הטבעית של השכבות העשירות בפילוסיליקט במהלך בדיקות חיכוך.

ניסויי מעבדה אחרים על תערובות אבקה של שלבים מינרליים חזקים וחלשים תיעדו היחלשות תקלה עם תוספת של השלבים החלשים^{18,19,20,21,22}. נצפתה כי כמויות של 40-50% של פילוסיליקטים לגרום לירידה משמעותית בחיכוך כי במהלך הגיזה הם הופכים מחוברים. זה מצביע על כך עבור אחוזים גדולים של פילוסיליקטים (כלומר, > 40%), ניסויים על ופלים או אבקות דומים²⁵.

אוסף של בדיקות חיכוך שנערכו על מספר רב של סלעי שבר טבעיים עשירים בפילוסיליקטים, ופלים או חומר אבקתי עם אחוזי פילוסיליקטים > 40%, תחת מגוון רחב של תנאים ניסיוניים מראים כי החיכוך הוא בטווח של 0.1-0.3³⁰. משמעות הדבר היא כי מספר משמעותי של תקלות קרום חלשים.

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