织物在富含植物硅酸盐构造断层摩擦特性中的作用

Summary

原位几何中剪切的富含植物的故障摩擦显著低于粉末等价物的摩擦力。

Abstract

许多用于描述构造断层摩擦特性的岩石变形实验都用于粉状断层岩石或裸露的岩石表面。这些实验对于记录颗粒矿物相的摩擦特性以及为以高摩擦为特征的地壳断层提供证据至关重要。然而，它们不能完全捕捉到富含植物的故障的摩擦特性。

对自然断层的许多研究都记录了液体辅助反应软化，促进用分布在连续叶中的植物酸盐取代强矿物。研究这些叶面料如何影响断层的摩擦特性：1） 从自然断层中收集富含叶绿硅酸盐的岩石：2） 切割断层岩石样本，获得厚度为 0.8-1.2 厘米、厚度为 5 厘米 x 5 厘米的实心晶圆，晶圆表面的叶子平行：3） 对 原位 几何和粉末中剪切的固体晶圆进行摩擦测试，通过粉碎和筛分获得，从而破坏相同样品的叶子：4） 从实验后岩石样本中回收用于微结构研究的样本：5） 通过光学显微镜、扫描和传输电子显微镜进行微观结构分析。

机械数据显示，与粉末状样品相比，叶状物发育良好的固体样品的摩擦力明显降低。微观和纳米结构研究表明，低摩擦是沿着植物酸酯组成的叶面滑动的结果。当相同的岩石被粉末化时，摩擦强度很高，因为滑动通过压裂、颗粒旋转、翻译和相关扩散来适应。摩擦试验表明，叶断层岩石的摩擦力可能很低，即使植物酸盐仅占岩石总量的一小部分，这意味着大量地壳断层是弱的。

Introduction

该过程的总体目标是测试 原位 几何中切除的完整植物硅酸盐富含故障的摩擦特性，并表明其摩擦力明显低于同一材料粉末实验产生的摩擦力。

许多地质研究记录了在构造断层的长期演化过程中流体辅助反应软化。软化发生于强矿物的替代品，如石英，费尔德斯帕，钙化物，白木特，橄榄石，苯丙烯，弱植物酸^酯1，2，3，4，5，6，7，8，9，10。这种减弱起源于谷物规模，主要是由于滑动，在非常低的摩擦，沿着植物硅酸盐叶，共同作用，以产生一种形式的润滑。从颗粒尺度上，断层减弱通过植物硅酸盐富产区¹¹的互连性传输到整个断层带。为了捕捉沿着相互关联的植物硅酸盐叶的摩擦滑动作用，在岩石变形实验^{12、13、14期间，}在原位几何中剪切了天然断层岩样品的完整固体晶圆。在实验结束时，对测试的样品进行了微结构研究，以检查是否通过沿着植物硅酸盐叶的摩擦滑动有效地适应变形。

与传统的摩擦试验相比，从粉碎和筛接断层岩石获得的粉末材料上进行的实验，在完整的晶圆上实验可以捕获由流体辅助反应软化形成的相互关联的富含植物硅酸盐层的摩擦滑动。事实上，在粉末制备过程中，断层岩石的破碎和筛分会破坏植物硅酸盐层的连接性，当材料在实验室中剪切时，连续的植物硅酸盐地平线的缺失有利于主要由谷物粉碎、旋转和转化组成的变形，从而产生高摩擦力。

固体晶圆的实验显示，与从同一岩石类型获得的粉末状材料的实验相比，摩擦力显著降低，特别是当植物酸化物的百分比^<40%15时。随着植物硅酸盐丰度的增加，粉末材料测试的摩擦也有所减少，因为在这种情况下，大量的植物硅酸盐足以在整个实验断层^{16、17、18、19、20、21、22}中促进弱矿物相的相互连接。另外，为了模拟相互连接的弱层上的摩擦滑动，对由100%弱矿物相^23、24、25组成的粉末进行了其他类型的摩擦测试。

岩石织物在高温变形实验中促进的几何断层弱化，因此代表了延展性岩石圈，多年来一直^{广为人知。}从这里提出的程序获得的结果表明，植物硅酸盐织物促进断层减弱也为大量故障包含在地震上地壳。

Protocol

1. 岩石样本收集

1. 在天然植物硅酸盐丰富的断层暴露良好的露头中，选择正确的暴露（沿包含断层线的平面保存完好的断层岩石），在那里收集具有代表性的岩石样本进行实验。小心选择叶间距不超过几毫米的断层岩石。这样做是为了捕捉长方形晶圆中高达1.5厘米厚的硅酸盐地平线，这些晶圆将在摩擦实验中被剪切。
2. 使用锤子和凿子获取面积约 10 厘米 x 10 厘米、厚度超过 3 厘米的断层岩石样本。
3. 根据在现场观察到的运动指标（如光滑侧、叶子、拖曳褶皱等），标记岩石样本上的剪切感。
   注：样品的面积可以小于10厘米×10厘米，但它必须大于5厘米×5厘米，这是实验装置的强制块的尺寸。
   警告：叶岩样品非常易碎，因此收集后用胶带或塑料薄膜包裹样品可能很有用。所收集的样本必须不因风化而改变，因此这些岩石代表地震深度的断层岩石。

2. 双直接剪切配置摩擦实验的样品准备

1. 切割岩石样本以获得符合岩石变形装置强制块的矩形晶圆。这通常分两步实现：在第一步中，使用标准实验室锯获得比强制块稍大的岩石样本：其次使用高精度旋转叶片或手磨机，形成晶圆5厘米×5厘米的面积和0.8-1.2厘米厚度（图1，左）。对于标准的双直接剪切测试，需要同一岩石的两个晶圆才能进行单个实验。在切割和成型过程中，确保样品中含有的天然富含植物硅酸盐的剪切平面与强制块表面保持平行。这意味着叶子与晶圆的 5 厘米 x 5 厘米面平行。
2. 使用磁盘磨机从完整样品的切口中粉碎剩余材料，并筛合材料以获取颗粒大小 <为 125 μm 的粉末（图 1，右图）。
3. 在不锈钢上安装两个相同的晶圆，将面值摩擦接触面积为 5 厘米× 5 厘米的块安装，然后用中央强制块组装它们，以组成对称的双直接剪切配置。
   注：机器对样品施加的剪切感必须与晶圆上记录的自然剪切感重合，并在 1.3 点标记。
4. 使用粉末构造两个相同的岩层，厚度约5毫米，面积5厘米×5厘米^2。对于这些粉状岩石样品，自然叶子被用圆盘磨机制备的样品过程破坏。使用精确的平整夹具获得由粉末材料组成的均匀且可重复的岩层。组成对称的双直接剪切组件。

3. 摩擦实验

1. 在双轴装置^27，28使用水平伺服控制的液压活塞应用和保持恒定的正常压力的岩石样本。
2. 通过垂直伺服控制液压活塞，以恒定的位移速率（通常为 10 μm/s）施加剪切应力。
   注：负载通过位于公羊和样品装配之间的两个应变量计负载单元（精度 0.03 kN）进行测量。水平和垂直位移由LVDT（线性可变差速器）测量，精度为0.1μm，在负载框架和公羊^27、28的上侧引用。
3. 所有实验的特点是初始应变硬化，其中剪切应力在弹性加载期间迅速增加，在产量点之前，然后以摩擦应力的稳定状态值剪切。

4. 实验后样品收集

1. 在摩擦试验结束时，小心地提取实验故障。在卸载之前，橡胶带或胶带可以涂在样品上，以保持变形岩石的完整性。
2. 浸渍与环氧树脂岩石样品。如果可能，用于粉末实验，避免真空浸渍，以防止树脂强行流入样品对原始微观结构造成损害。
3. 将这些岩石样本切割成与实验剪切方向平行的岩石样本。有几种方法可以跟踪实验剪切方向。在我们的双直接剪切配置中，与沟层接触的钢滑动块的表面用 0.8 mm 高、间隔 1 mm 的凹槽加工，以避免在沟槽和钢之间的界面上滑动，并确保沟槽内的剪切变形，因此在我们的实验中，切口方向垂直于凹槽。
4. 从微观结构研究的切口中构建薄部分。

5. 微结构分析

1. 用光学显微镜对散装断层区微观结构进行定性调查。
2. 使用扫描电子显微镜 （SEM） 来调查主要变形过程。
3. 使用传输电子显微镜 （TEM） 获取纳米级变形过程的详细信息。如何进行微观结构分析的细节，可在以往的刊物4、5、6、7、8、9、10、29等刊物中找到。

Representative Results

在正常应力与剪切应力的图表中，固体叶片和粉状样品沿着与脆性故障包络一致的线条绘制，但固体晶圆的摩擦值明显低于其粉状模拟^{物 30。}例如，在滑石丰富的叶子的特定情况下，每个正常应力的叶状断层岩石的摩擦系数比由它们制成的粉末低0.2-0.3（图2 和^12）。较低的摩擦力是由对试验岩石的微观结构研究表明，叶状固体晶圆的滑动表面沿着预先存在的富含植物硅酸盐的叶子发生的。TEM 图像显示，滑动主要由 （001） 与层间除名相关的轻松滑动来适应。相比之下，粉末材料的实验微观结构表明，谷物尺寸的缩小和本地化可以适应明显的变形。

虽然完整断层岩石及其粉末的叶状晶圆具有相同的矿物成分，但叶状样品显示的摩擦力明显低于其粉状类似物。微结构研究表明，叶状断层岩石的摩擦力较低（即断层弱点）是由于由于样品制备步骤（2.2 - 2.4）中断后，粉状样品中不存在的原有天然植物硅酸盐富集表面的重新激活。

图1：被测试断层岩石的代表图像：固体叶片与粉末状材料。（左）固体叶状样品与箭头标记的天然叶状平行剪切。（右）通过粉碎和筛分固体叶状岩石获得的粉末。请单击此处查看此图的较大版本。

图2：在同一材料（富含滑石的叶片）上的摩擦测试，但固体叶片样品与粉状岩石。 每个数据集沿着与脆性故障包络一致的线条绘制，但固体叶状岩石的摩擦力明显低于其粉状模拟、摩擦、μ = 0.3 和 μ = 0.57。 请单击此处查看此图的较大版本。

图3：天然与实验室重新激活的叶子。 在左图中，一个天然滑石丰富的叶子与周围的钙化物³¹的硅胶扣的例子。右图显示了晶圆³²摩擦测试结束时相同的叶子。请注意，在摩擦测试期间，大部分滑动都通过沿着硅酸盐层的摩擦滑动发生，并且保留了原始的微观结构。 请单击此处查看此图的较大版本。

Discussion

值得一提的一点是，通过此过程，我们通过低滑动速度（即 0.01 μm/s < v < 100 μm/s）的实验来描述稳定的状态断层摩擦强度。测量到的低摩擦值表明，长期流体辅助反应软化和叶发育^{1、4、5、6、7、8、9、10、11、12、30}造成的富含植物硅酸盐的缺陷。这种低摩擦强度可用作在稳定状态或地震周期前阶段评估断层强度的代理。因此，我们分析中没有考虑以高滑速（即>10厘米/升）和由温度上升^{引起的重要的}动态减弱机制。

协议中的关键步骤涉及样品收集和准备。由于植物酸盐的特点是垂直于（001）基底平面（即垂直于叶子的方向）的方向的拉伸强度非常低，在田间使用锤子和凿子或实验室的手磨机工作期间，岩石样品经常会碎裂，成形过程必须重新启动。因此，强烈建议收集比严格要求的更多的样本来进行实验，并耐心地武装自己。

在将机械数据与微观结构数据集成之前，必须检查沿天然断层岩石观察到的富含植物硅酸盐的叶片的摩擦滑动是否在实验室中复制，或者换句话说，自然断层岩石微结构是否与剪断晶圆获得的摩擦滑动（图3）。

在以薄植物酸网络为特征的固体晶圆实验中，在显著剪切（位移>12毫米）期间可以消耗弱矿物相的连续层。在这个阶段，变形是由强矿物相的灾难和沿着植物学滑动的组合所适应的。这与应变硬化的阶段相吻合，摩擦增加约0.1或^13。

大多数岩石变形实验，旨在描述构造断层的摩擦特性，是在毫米岩石层上进行的，这些岩石层是由粉碎和筛分自然断层岩石^24、27或预切³⁴的断层岩石获得的粉末构成的。这些类型的实验是描述故障的摩擦特性的基础，其中变形发生在断层挖³⁵或沿局部变形³⁶的急剧滑动平面。对于富含植物酸盐的故障，低摩擦和因此而故障弱点与富含植物硅酸盐的网络的互连性有关，而该网络在该领域表现为多个原子化主滑区。这表明，即使少量的植物酸盐，如果其互连性非常高^，也会诱发重大故障^减弱。因此，我们在固体晶圆上的实验室实验的最终目标是在摩擦测试中保持富含硅酸盐层的自然连续性。

其他关于强矿物相和弱矿物相粉末混合物的实验室实验记录了由于增加^{弱相18、19、20、21、22}的弱相而减弱的断层。据观察，40-50%的植物酸酯会导致摩擦显著减少，因为在剪切过程中，它们变得相互关联。这表明，对于很大比例的植物酸（即>40%），晶圆或粉末的实验是相似的^25。

在广泛的实验条件下，对大量富含植物酸、晶圆或粉末状物质的天然断层岩石进行的摩擦试验汇编 >表明，摩擦在0.1-0.330之间。这意味着大量的地壳断层是弱的。

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