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O Papel do Tecido nas Propriedades Friccionais das Falhas Tectônicas Ricas em Filosilicato

Published: November 6, 2021 doi: 10.3791/62821
Automatic Translation
1,4, 2, 1, 1, 3, 1,3, 4, 5
1Dipartimento di Scienze della Terra, Sapienza Università di Roma, 2Dipartimento di Geoscienze, Università di Padova, 3Department of Geoscience, The Pennsylvania State University, 4Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, 5Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell’Ambiente, Università di Siena

Summary

O atrito das falhas ricas em filossilicatos em sua geometria in situ é significativamente menor do que o atrito de seus equivalentes em pó.

Abstract

Muitos experimentos de deformação de rochas usados para caracterizar as propriedades de atrito de falhas tectônicas são realizados em rochas de falha em pó ou em superfícies de rochas nuas. Esses experimentos têm sido fundamentais para documentar as propriedades de atrito das fases minerais granulares e fornecer evidências de falhas crostas caracterizadas por alto atrito. No entanto, eles não podem capturar inteiramente as propriedades de atrito de falhas ricas em filossilicatos.

Inúmeros estudos de falhas naturais têm documentado a reação assistida por fluidos promovendo a substituição de minerais fortes por filossilicatos que são distribuídos em foliações contínuas. Estudar como esses tecidos foliados influenciam as propriedades de atrito das falhas que temos: 1) coletados rochas ricas em filosilicato de falhas naturais; 2) corte as amostras de rocha de falha para obter wafers sólidos de 0,8-1,2 cm de espessura e 5 cm x 5 cm de área com a foliação paralela à face de 5x5cm do wafer; 3) realizou testes de atrito em ambos os wafers sólidos em sua geometria in situ e pós, obtidos por esmagamento e peneiração e, portanto, interrompendo a foliação das mesmas amostras; 4) recuperou as amostras para estudos microestruturais a partir de amostras de rocha pós-experimento; e 5) realizaram análises microestruturais por meio de microscopia óptica, escaneamento e microscopia eletrônica de transmissão.

Dados mecânicos mostram que as amostras sólidas com folhagem bem desenvolvida mostram atrito significativamente menor em comparação com seus equivalentes em pó. Estudos micro e nanoestrusos demonstram que o baixo atrito resulta do deslizamento ao longo das superfícies de foliação compostas de filossilicatos. Quando as mesmas rochas são em pó, a resistência de fricção é alta, pois o deslizamento é acomodado por fratura, rotação de grãos, tradução e dilatação associada. Testes de atrito indicam que as rochas de falha foliada podem ter baixo atrito mesmo quando os filossilicatos constituem apenas uma pequena porcentagem do volume total da rocha, implicando que um número significativo de falhas crostas são fracas.

Introduction

O objetivo geral deste procedimento é testar as propriedades de atrito de falhas intactas de filosilicatos ensacados em sua geometria in situ e mostrar que seu atrito é significativamente menor do que o atrito obtido a partir de experimentos realizados em pós do mesmo material.

Numerosos estudos geológicos têm documentado a reação assistida por fluidos durante a evolução a longo prazo das falhas tectônicas. O amolecimento ocorre pela substituição de minerais fortes, como quartzo, feldspato, calcita, dolomita, olivina, piroxeno, com filossilicatos fracos1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Esse enfraquecimento tem origem na escala de grãos e se deve principalmente ao deslizamento, em atrito muito baixo, ao longo da folia fillossilica que atuam em conjunto para produzir uma forma de lubrificação. A partir da escala de grãos, o enfraquecimento da falha é transmitido para toda a zona de falha através da interconectividade das zonas ricas em filosilicato11. Para capturar o papel do deslizamento de friccional ao longo da folia filossilicada interconectada, wafers sólidos intactos de amostras naturais de rocha de falha foram cisados em sua geometria in situ durante experimentos de deformação derochas 12,13,14. Ao final do experimento, estudos microestruturais sobre as amostras testadas foram realizados para verificar se efetivamente a deformação foi acomodada pelo deslizamento de friccional ao longo da folia filossilicato.

Em comparação com os testes de atrito tradicionais realizados em materiais em pó obtidos a partir do esmagamento e peneiração da rocha de falha, experimentos em wafers intactos podem capturar o deslizamento de friccional ao longo das camadas interconectadas ricas em fillossilicatos formadas por amaciamento de reação assistida por fluidos. De fato, durante o processo de preparação em pó, o esmagamento e peneiração da rocha de falha interrompe a conectividade das camadas filossilicadas e quando o material é cisado em laboratório, a ausência de horizontes filossilicatos contínuos favorece uma deformação consistindo principalmente de esmagamento de grãos, rotação e tradução resultando em alto atrito.

Experimentos em bolachas sólidas mostram um atrito significativamente menor em comparação com experimentos em material em pó obtidos do mesmo tipo de rocha, particularmente quando a porcentagem dos filossilicatos é < 40%15. Com o aumento da abundância de filosilicatos, foi documentada uma redução do atrito também para testes em material em pó, uma vez que neste caso o grande volume de filossilicatos é suficiente para promover a interconectividade das fases minerais fracas através de toda a falha experimental16,17,18,19,20,21,22. Alternativamente, para simular o deslizamento de fricção nas camadas fracas interconectadas, outros tipos de testes de atrito foram realizados em pós compostos de fases minerais 100% fracas23,24,25.

O enfraquecimento geométrico de falhas promovido pelo tecido rochoso em experimentos de deformação em alta temperatura e, portanto, representativo da litosfera dúctil, é bem conhecido há muitos anos26. Os resultados obtidos a partir do procedimento aqui apresentado indicam que o tecido filossilicato promove o enfraquecimento da falha também para um grande número de falhas contidas na crosta superior sismogênica.

Protocol

1. Coleção de amostras de rocha

  1. Em um afloramento bem exposto de uma falha natural rica em filosilicato, selecione a exposição certa (rocha de falha bem preservada ao longo de um plano contendo linha de falha) onde coletar uma amostra de rocha representativa para os experimentos. Tome cuidado para selecionar uma rocha de falha com um espaçamento de folhação não maior do que alguns milímetros. Isso é feito para capturar horizontes filossilicatos em wafers retangulares de até 1,5 cm de espessura que serão cisalhados durante experimentos de atrito.
  2. Use um martelo e um cinzel para obter uma amostra de rocha de falha com uma área de cerca de 10 cm x 10 cm e espessura de mais de 3 cm.
  3. Marque a sensação de tesoura na amostra de rocha, com base em indicadores cinemáticos observados no campo (por exemplo, slickensides, foliações, dobras de arrasto, etc.).
    NOTA: A área da amostra pode ser menor que 10 cm x 10 cm, mas deve ser maior que 5 cm x 5 cm que é a dimensão dos blocos de força do aparelho experimental.
    ATENÇÃO: As amostras de rocha foliada são muito friáveis e, portanto, após a coleta, pode ser útil embrulhar a amostra com alguma fita ou um filme plástico. É obrigatório que as amostras coletadas não sejam alteradas pelo intemperismo e, portanto, que essas rochas representem a rocha de falha na profundidade sismogênica.

2. Preparação da amostra para experimentos de atrito na configuração de tesoura direta dupla

  1. Corte a amostra de rocha para obter wafers retangulares que se encaixam nos blocos de força do aparelho de deformação da rocha. Isso geralmente é alcançado em duas etapas: na primeira etapa, use uma serra de laboratório padrão para obter uma amostra de rocha ligeiramente maior que os blocos de força; em segundo lugar, use uma lâmina rotativa de alta precisão ou um moedor de mão para moldar wafers de 5 cm x 5 cm de área e 0,8-1,2 cm de espessura(Figura 1, esquerda). Para um teste padrão de tesoura dupla-direta, dois wafers da mesma rocha serão necessários para realizar um único experimento. Durante o procedimento de corte e modelagem, certifique-se de que os planos de cisalhamento naturais ricos em filosilicato contidos na amostra sejam mantidos paralelos à superfície dos blocos de força. Isso significa que a foliação é paralela à face de 5 cm x 5 cm do wafer.
  2. Use uma usina de disco para esmagar o material restante do corte das amostras intactas e peneirar o material para obter pós com um tamanho de grão < 125 μm(Figura 1, à direita).
  3. Monte dois wafers idênticos em blocos de força de aço inoxidável com área de contato nominal de atrito de 5 cm × 5 cm e, em seguida, monte-os com o bloco central de força para compor a configuração de tesoura direta dupla simétrica.
    NOTA: É importante que o sentido de corte imposto pela máquina na amostra coincida com o sentido natural de tesoura registrado no wafer e marcado no ponto 1.3.
  4. Use os pós para construir duas camadas de rocha idênticas com espessura de cerca de 5 mm e área de 5 cm x 5 cm2. Para estas amostras de rocha em pó, a folhação natural é destruída pelo procedimento de preparação da amostra com um moinho de disco. Use um gabarito de nivelamento preciso para obter uma camada de rocha uniforme e reprodutível composta de material em pó. Componha a montagem de tesoura dupla e direta simétrica.

3. Experimentos de atrito

  1. Em um aparelho biaxial27,28 utilize o pistão hidráulico controlado por servo horizontal para aplicar e manter um estresse normal constante à amostra de rocha.
  2. Aplique o estresse da cisalhamento a uma taxa de deslocamento constante, geralmente 10 μm/s, através do pistão hidráulico controlado pelo servo vertical.
    NOTA: As cargas são medidas através de duas células de carga do medidor de tensão (precisão de 0,03 kN) posicionadas entre a memória ram e o conjunto da amostra. Os deslocamentos horizontais e verticais são medidos por LVDT (transdutores diferenciais variáveis lineares), com precisão de 0,1 μm, referenciado no quadro de carga e na parte superior da ram27,28.
  3. Caracterize todos os experimentos por um endurecimento inicial da tensão, onde o estresse da tesoura aumenta rapidamente durante o carregamento elástico, antes de um ponto de rendimento, seguido de tesoura a um valor de estado estável de estresse friccional.

4. Coleta de amostras pós-experimentais

  1. No final do teste de atrito, extraia cuidadosamente a falha experimental. Elásticos ou fita adesiva podem ser aplicados à amostra antes da remoção da carga para manter a integridade das rochas deformadas.
  2. Impregnar com resina epóxi nas amostras de rocha. Se possível para experimentos em pó, evite a impregnação de vácuo para evitar danos à microestrutura original pelo fluxo forçado da resina na amostra.
  3. Corte essas amostras de rocha paralelas à direção experimental da tesoura. Há várias maneiras de rastrear a direção experimental da tesoura. Em nossa configuração de tesoura direta dupla, as superfícies dos blocos deslizantes de aço em contato com camadas de gouge são usinadas com ranhuras de 0,8 mm de altura e espaçadas 1 mm para evitar escorregar na interface entre gouges e aço e para garantir a deformação do corte dentro dos gouges, portanto em nossos experimentos a direção do corte é perpendicular às ranhuras.
  4. Construa seções finas a partir dos cortes para estudos microestruturais.

5. Análise microestrutural

  1. Investigue com um microscópio óptico para caracterizar a microestrutura da zona de falha a granel.
  2. Use um microscópio eletrônico de varredura (SEM) para investigar os principais processos de deformação.
  3. Use um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) para obter detalhes sobre os processos de deformação na nanoescala. Detalhes sobre como realizar a análise microestrutural podem ser encontrados em publicações anteriores4,5,6,7,8,9,10,29.

Representative Results

Em um diagrama de estresse normal vs. estresse de corte, amostras sólidas e em pó se misturam ao longo de uma linha consistente com um envelope de falha frágil, mas os wafers sólidos têm valores de atrito significativamente inferiores aos seus análogos em pó30. Por exemplo, no caso específico de uma folhagem rica em talco, as rochas de falha foliada em cada estresse normal têm um coeficiente de atrito 0,2-0,3 menor do que os pós feitos a partir deles(Figura 2 e12). O menor atrito é explicado por estudos microestruturais das rochas testadas mostrando que as superfícies deslizantes dos wafers sólidos foliados ocorrem ao longo da foliação pré-existente de filossilicato. As imagens TEM mostram que o deslizamento é principalmente acomodado por (001) deslizamento fácil associado à delaminação intercamadas. Em contraste, microestruturas experimentais do material em pó mostram que a deformação significativa é acomodada pela redução e localização do tamanho do grão.

Embora os wafers foliados de rochas de falha intactas e seus pós tenham composições mineralógicas idênticas, as amostras foliadas mostram atrito que é significativamente menor do que seus análogos em pó. Estudos microestruturais indicam que o menor atrito (ou seja, fraqueza de falha) das rochas de falha foliada deve-se à reativação das superfícies ricas em filossilicatos naturais pré-existentes que estão ausentes nas amostras em pó desde que as etapas de preparação da amostra (2.2 - 2.4) as interrompem.

Figure 1
Figura 1: Imagens representativas das rochas de falha testadas: material foliado sólido vs. em pó. (esquerda) Amostras folhadas sólidas emararam paralelamente à foliação natural marcada pelas setas. (à direita) Pós obtidos esmagando e peneirando a rocha folhada sólida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Testes de atrito no mesmo material (folhação rica em talco), mas amostras sólidas foliadas versus rocha em pó. Cada conjunto de dados plota ao longo de uma linha consistente com um envelope de falha frágil, mas as rochas foliadas sólidas são caracterizadas por atrito significativamente menor do que seu análogo em pó, atrito, μ = 0,3 e μ = 0,57, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Folhação reativada natural versus laboratorial. Na imagem à esquerda um exemplo de uma foliação natural rica em talco com clasts sigmoidal circundantes de calcite31. A imagem certa mostra a mesma foliação no final de um teste de atrito em wafers32. Observe que durante o teste de atrito a maior parte do deslizamento ocorre por deslizamento de fricção ao longo das camadas filosilicadas e que a microestrutura original é preservada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Um ponto importante que vale a pena mencionar é que com este procedimento caracterizamos a força de atrito de falha de estado constante, medida com experimentos em velocidades de baixo deslizamento (ou seja, 0,01 μm/s < v < 100 μm/s). Os baixos valores de atrito medidos demonstram a fraqueza das falhas ricas em filosilicato resultantes da reação assistida de longo prazo e do desenvolvimento da foliação1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Essa baixa força de atrito pode ser usada como proxy para avaliar a força da falha em estado estável ou durante as fases pré-sísmicas do ciclo sísmico. Portanto, os importantes mecanismos dinâmicos de enfraquecimento que ocorrem em altas velocidades de deslizamento (ou seja, > 10 cm/s) e induzidos pelo aumento da temperatura33 não são considerados em nossa análise.

Os passos críticos do protocolo consideram a coleta e preparação da amostra. Uma vez que os filossilicatos são caracterizados por uma força de tração muito baixa na direção perpendicular aos (001) planos basais (ou seja, na direção perpendicular à folhação), durante o trabalho com o martelo e o cinzel no campo ou com o moedor de mão no laboratório, muitas vezes as amostras de rocha se desfazem e o processo de modelagem tem que reiniciar. Portanto, é fortemente recomendável coletar mais amostras do que aquelas estritamente necessárias para executar experimentos e armar-se com paciência.

Antes de integrar a mecânica com dados microestruturais, é importante verificar se o deslizamento de fricção ao longo da foliae rica em filosilicato observada ao longo de rochas de falha natural é reproduzido em laboratório, ou em outras palavras, que a microestrutura natural da rocha de falha é semelhante à obtida a partir da cisalhamento do wafer(Figura 3).

Em experimentos com wafers sólidos caracterizados por redes finas de filossilicatos, as camadas contínuas de fases minerais fracas podem ser consumidas durante cisalhamento significativo (deslocamento > 12 mm). Nesta fase, a deformação é acomodada por uma combinação de cataclase das fases minerais fortes e deslizando ao longo dos filossilicatos. Isso coincide com uma fase de endurecimento da tensão com um aumento no atrito de cerca de 0,1 ou mais13.

A maioria dos experimentos de deformação de rochas, destinados à caracterização das propriedades de atrito das falhas tectônicas, são realizados em camadas de rocha milimétricas que são compostas por pós obtidos por rochas de esmagamento e peneiração naturais24,27 ou em rochas de falha que são pré-cortadas34. Esses tipos de experimentos são fundamentais para caracterizar as propriedades de atrito das falhas onde a deformação ocorre em gouges de falha35 ou ao longo de planos de deslizamento acentuados de deformação localizada36. Pois falhas ricas em filossilicatos, baixo atrito e, portanto, fraqueza por falhas estão relacionadas à interconectividade das redes ricas em filosilicato, que no campo se manifesta por múltiplas zonas de deslizamento principais anastomos. Isso indica que mesmo uma pequena quantidade de filossilicatos pode induzir um enfraquecimento significativo da falha se sua interconectividade for muito alta37,38. Portanto, o objetivo final de nossos experimentos laboratoriais em wafers sólidos é preservar a continuidade natural das camadas ricas em filosilicato durante os testes de atrito.

Outros experimentos laboratoriais em misturas em pó de fases minerais fortes e fracas documentaram o enfraquecimento da falha com a adição das fases fracas18,19,20,21,22. Observou-se que quantidades de 40-50% dos filossilicatos induzem uma redução significativa no atrito porque durante a cisalhamento eles se tornam interligados. Isso sugere que, para grandes percentuais de filossilicatos (ou seja, > 40%), os experimentos com wafers ou pós são semelhantesa 25.

Uma compilação de testes de atrito realizados em um grande número de rochas de falha natural ricas em filossilicatos, wafers ou material em pó com percentuais filossilicatos > 40%, sob uma ampla gama de condições experimentais mostram que o atrito está na faixa de 0,1-0,330. Isso implica que um número significativo de falhas crostas são fracas.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Nós gentilmente reconhecemos Marco Albano por fornecer o vídeo que lida com microscópio óptico e SEM e Domenico Mannetta para o procedimento de corte de rocha. Esta pesquisa foi apoiada pelo ERC Grant GLASS n° 259256 e TECTONIC n° 835012. Essa contribuição foi muito melhorada pelos comentários de três revisores anônimos e pelas sugestões de produção editorial no vídeo.

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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