Summary
Friktionen av phyllosilicates-rika fel som skärs i deras in situ geometri är betydligt lägre än friktionen av deras pulveriserade motsvarigheter.
Abstract
Många bergdeformationsexperiment som används för att karakterisera friktionsegenskaperna hos tektoniska fel utförs på pulveriserade felstenar eller på nakna bergytor. Dessa experiment har varit grundläggande för att dokumentera friktionsegenskaperna hos granulära mineralfaser och ge bevis för crustal fel som kännetecknas av hög friktion. De kan dock inte helt fånga friktionsegenskaperna hos fel rik på phyllosilicates.
Många studier av naturliga fel har dokumenterat vätskeassisterad reaktionsmjukhet som främjar ersättning av starka mineraler med fyllosilikater som distribueras till kontinuerliga lövverk. För att studera hur dessa bladväv påverkar friktionsegenskaperna hos fel har vi: 1) samlat in bladolkrika stenar från naturliga fel; 2) skär felstensproverna för att erhålla fasta plattor 0,8-1,2 cm tjocka och 5 cm x 5 cm i område med lövverket parallellt med waferens 5x5 cm yta; 3) utförde friktionstester på både fasta plattor som saxades i deras in situ-geometri och pulver, erhållna genom krossning och siktning och därmed störa lövverket av samma prover, 4) återvunna proverna för mikrokulturella studier från stenproverna efter försöket, och 5) utförde mikrostructurala analyser via optisk mikroskopi, skanning och överföringselektronmikroskopi.
Mekaniska data visar att de fasta proverna med välutvecklad lövverk upp visar betydligt lägre friktion i jämförelse med deras pulveriserade motsvarigheter. Mikro- och nanostrukturstudier visar att låg friktion beror på att man glider längs lövverken som består av fyllosilikater. När samma stenar pulveriseras är friktionsstyrkan hög, eftersom glidning tillgodoses genom spräckning, kornrotation, översättning och tillhörande utvidgning. Friktionstester indikerar att lövfria felstenar kan ha låg friktion även när fyllosilikater endast utgör en liten andel av den totala bergvolymen, vilket innebär att ett betydande antal skorpor är svaga.
Introduction
Det övergripande målet med detta förfarande är att testa friktionsegenskaperna hos intakta fyllosilikatrika fel som skärs i deras in situ-geometri och att visa att deras friktion är betydligt lägre än friktionen från experiment som utförs på pulver av samma material.
Många geologiska studier har dokumenterat vätskeassisterad reaktionsmjukhet under den långsiktiga utvecklingen av tektoniska fel. Mjukning sker genom att ersätta starka mineraler, som kvarts, feldspar, kalcit, dolomit, olivin, pyroxen, med svaga phyllosilicates1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Denna försvagning har sitt ursprung i kornskalan och beror främst på glidning, vid mycket låg friktion, längs phyllosilikatfoliaen som verkar tillsammans för att producera en form av smörjning. Från kornskalan överförs felförsvagning till hela felzonen via sammanlänkningen av de fyllosilikatrika zonerna11. För att fånga rollen av friktionsskjutande längs sammankopplade fyllosilikatfoliae har intakta fasta plattor av naturliga felstensprover klippts i deras in situ-geometri under bergdeformationsexperiment12,13,14. I slutet av försöket har mikrostructuralstudier på de testade proverna utförts för att kontrollera om deformationen effektivt tillgodoses genom friktionsmässig glidning längs fyllosilikatfoliaen.
I jämförelse med traditionella friktionstester som utförs på pulveriserade material som erhålls genom att krossa och sikta felstenen, kan experiment på intakta plattor fånga friktions glider längs de sammankopplade phyllosilicate-rika skikten som bildas av vätskeassisterad reaktionsmjukhet. Faktum är att under processen med pulverberedning stör krossning och siktning av felstenen anslutningen av fyllosilikatskikten och när materialet klipps i laboratoriet gynnar frånvaron av kontinuerliga fyllosilikathorisonter en deformation som huvudsakligen består av kornkrossning, rotation och översättning som resulterar i hög friktion.
Experiment på fasta plattor visar en betydligt lägre friktion i jämförelse med experiment på pulveriserat material som erhållits från samma bergtyp, särskilt när procenten av fyllosilikaterna är < 40%15. Med ökande fyllosilikat överflöd, en minskning av friktion har dokumenterats även för tester på pulveriserat material, eftersom i detta fall den stora volymen av phyllosilicates är tillräcklig för att främja sammanlänkning av de svaga mineralfaserna genom hela experimentella fel16,17,18,19,20,21,22. Alternativt, för att simulera friktionsbar glidning på de sammankopplade svaga lagren, har andra typer av friktionstester utförts på pulver som består av 100% svagamineralfaser 23,24,25.
Geometrisk felförsvagning främjas av bergväv i deformationsexperiment vid hög temperatur, och därför representativ för den seg litosfären, har varit välkänd i många år26. Resultaten från förfarandet som presenteras här tyder på att phyllosilicate tyg främjar felförsvagning även för ett stort antal fel som ingår i den seismogena övre skorpan.
Protocol
1. Insamling av stenprov
- I en välexponerad utrop av ett naturligt fyllosilikatrikt fel, välj rätt exponering (felsten välbevarad längs ett plan som innehåller fellinje) där du kan samla ett representativt bergprov för experimenten. Var noga med att välja en felsten med ett lövavstånd som inte är större än några millimeter. Detta görs för att fånga fyllosilikathorisonter i rektangulära plattor upp till 1,5 cm tjocka som kommer att skevas under friktionsexperiment.
- Använd en hammare och mejsel för att få ett felstensprov med en yta på ca 10 cm x 10 cm och en tjocklek på mer än 3 cm.
- Markera känslan av klippning på bergprovet, baserat på kinematiska indikatorer som observerats i fältet (t.ex. slickensides, lövverk, dragveck etc.).
OBS: Provet kan vara mindre än 10 cm x 10 cm, men det måste vara större än 5 cm x 5 cm som är dimensionen av experimentapparatens tvingande block.
VARNING: De bladade stenproverna är mycket spröda och därför kan det efter samlingen vara användbart att linda in provet med något tejp eller en plastfilm. Det är obligatoriskt att insamlade prover inte ändras genom vittring och därför att dessa stenar representerar felstenen på seismogent djup.
2. Provberedning för friktionsexperiment i konfigurationen av dubbel direktsjuvning
- Skär bergprovet för att få rektangulära plattor som passar de tvingande blocken i bergdeformationsapparaten. Detta uppnås vanligtvis i två steg: i det första steget, använd en standard laboratoriesåg för att få ett bergprov som är något större än tvingande block; För det andra använd ett roterande blad med hög precision eller en handkvarn för att forma plattor 5 cm x 5 cm i yta och 0,8-1,2 cm tjocklek(figur 1, vänster). För ett standardtest med dubbel direkt saft kommer två plattor av samma sten att krävas för att utföra ett enda experiment. Under skär- och formningsproceduren, se till att naturliga fyllosilikatrika saxplan som ingår i provet upprätthålls parallellt med ytan på de tvingande blocken. Detta innebär att lövverket är parallellt med waferens 5 cm x 5 cm ansikte.
- Använd ett diskverk för att krossa det återstående materialet från snittet av de intakta proverna och sikta materialet för att erhålla pulver med kornstorlek <125 μm (figur 1,höger).
- Montera två identiska plattor på rostfria tvingande block med nominell friktionskontaktyta på 5 cm × 5 cm och montera dem sedan med det centrala tvingande blocket för att komponera den symmetriska dubbla direkta savkonfigurationen.
OBS: Det är viktigt att den saxkänsla som maskinen påtvingar provet sammanfaller med den naturliga känslan av sax som registrerats på skivan och markerats i punkt 1.3. - Använd pulvret för att konstruera två identiska berglager med en tjocklek av ca 5 mm och en yta på 5 cm x 5 cm2. För dessa pulveriserade bergprover förstörs den naturliga lövverket genom provberedningsförfarandet med en diskfabrik. Använd en exakt vellerings jigg för att få ett enhetligt och reproducerbart bergskikt bestående av pulveriserat material. Komponera den symmetriska dubbla direktsjuvenheten.
3. Friktionsexperiment
- I en biaxialapparat27använder28 den horisontella servostyrda hydraulkolven för att applicera och bibehålla en konstant normal påfrestning på bergprovet.
- Applicera savspänning med konstant deplacementhastighet, vanligtvis 10 μm/s, via den vertikala servostyrda hydraulkolven.
OBS: Belastningar mäts via två belastningsceller för belastningsmätare (noggrannhet 0,03 kN) placerade mellan rammen och provenheten. Horisontella och vertikala förskjutningar mäts med LVDT (linjära variabla differentiella givare), med en noggrannhet av 0,1 μm, refererad vid lastramen och ramens övresida 27,28. - Karakterisera alla experiment genom en inledande stamhärdning, där savspänningen ökar snabbt under elastisk belastning, före en avkastningspunkt, följt av sav vid ett steady-state värde av friktionsstress.
4. Insamling av prover efter försök
- Vid friktionstestets slut ska du försiktigt extrahera det experimentella felet. Gummiband eller tejp kan appliceras på provet före lastborttagning för att upprätthålla integriteten hos de deformerade stenarna.
- Impregnera med epoxiharts stenproverna. Undvik om möjligt vakuumimpregnering för att förhindra skador på den ursprungliga mikrostrukturen genom att hatset tvingas in i provet.
- Skär dessa bergprover parallellt med den experimentella klippriktningen. Det finns flera sätt att spåra den experimentella savriktningen. I vår dubbla direktsjuvkonfiguration bearbetas ytorna på de skjutbara stålblocken i kontakt med gougeskikt med spår som är 0,8 mm höga och försedda 1 mm för att undvika glidning vid gränssnittet mellan gouges och stål och för att säkerställa savdeformation inom gouges, därför är savriktningen vinkelrät mot spår.
- Bygg tunna sektioner från snitten för mikrostructuralstudier.
5. Mikrostructural analys
- Undersök med ett optiskt mikroskop för att karakterisera massfelzonens mikrostruktur.
- Använd ett scanningelektronmikroskop (SEM) för att undersöka de viktigaste deformationsprocesserna.
- Använd ett transmissionselektronmikroskop (TEM) för att få information om deformationsprocesserna i nanoskalan. Detaljer om hur man utför mikrostructural analys finns i tidigare publikationer4,5,6,7,8,9,10,29.
Representative Results
I ett diagram över normal stress kontra saxspänning har både fasta blad- och pulverprover längs en linje som överensstämmer med ett sprött felkuvert, men de fasta plattorna har friktionsvärden som är betydligt lägre än deras pulveriserade analoger30. I det specifika fallet med en talkrik lövverk har till exempel bladade felstenar vid varje normal stress en friktionskoefficient som är 0,2-0,3 lägre än pulveren gjorda av dem (figur 2 och12). Den lägre friktionen förklaras av mikrostructurala studier av de testade stenarna som visar att glidytorna på de bladade fasta plattor förekommer längs den befintliga fyllosilikatrika lövverket. TEM-bilder visar att slip huvudsakligen tillgodoses av (001) enkel glidning i samband med mellanskiktsdeminering. Däremot visar experimentella mikrostrukturer från pulvermaterialet att betydande deformation tillgodoses av minskning av kornstorleken och lokalisering.
Även om de bladade plattor av intakta felstenar och deras pulver har identiska mineralogiska sammansättningar, visar de bladade proverna friktion som är betydligt lägre än deras pulveriserade analoger. Mikrostructurala studier visar att den lägre friktionen (dvs. felsvaghet) hos de bladade felstenarna beror på återaktiveringen av de befintliga naturliga fyllosilikatrika ytorna som saknas i de pulveriserade proverna eftersom provberedningsstegen (2.2 - 2.4) stör dem.
Figur 1: Representativa bilder av de testadefelstenarna: massivt bladolerat kontra pulveriserat material. (vänster) Fasta bladprover som klippts parallellt med den naturliga lövverk som markeras av pilarna. - Jaghar inte tid med dethär. Pulver som erhålls genom att krossa och sikta den fasta bladstenen. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 2:Friktionstester på samma material (talkrik lövverk) men fasta bladprover kontra pulveriserad sten. Varje datasetdiagram längs en linje som överensstämmer med ett sprött felkuvert, men de fasta bladstenarna kännetecknas av friktion som är betydligt lägre än deras pulveriserade analoga, friktion, μ = 0,3 respektive μ = 0,57. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 3:Naturlig kontra laboratorieaktiverad lövverk. På vänster bild ett exempel på en naturlig talkrik lövverk med omgivande sigmoidala clasts av kalcit31. Den högra bilden visar samma lövverk i slutet av ett friktionstest på plattor32. Observera att under friktionsprovningen sker det mesta av glidningen genom friktionsglidning längs fyllosilikatskikten och att den ursprungliga mikrostrukturen bevaras. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Discussion
En viktig punkt som är värd att nämna är att vi med denna procedur karakteriserar friktionsstyrkan för steady state-fel, mätt med experiment med låga glidhastigheter (dvs. 0,01 μm/s < v < 100 μm/s). De uppmätta låga friktionsvärdena visar svagheten hos fyllosilikatrika fel till följd av långvarig vätskeassisterad reaktionsmjukning och lövverksutveckling1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Denna låga friktionsstyrka kan användas som en proxy för att utvärdera felstyrkan i steady-state eller under de preseismiska faserna av den seismiska cykeln. Därför beaktas inte de viktiga dynamiska försvagningsmekanismer som uppstår vid höga halkhastigheter (dvs. > 10 cm/s) och induceras avtemperaturökning 33 i vår analys.
De kritiska stegen i protokollet gäller provsamling och förberedelse. Eftersom fyllosilikater kännetecknas av mycket låg draghållfasthet i riktning vinkelrätt mot (001) basalplan (dvs. i riktning vinkelrätt mot lövverket), under arbetet med hammaren och mejseln i fältet eller med handkvarnen i labbet, faller bergproverna ganska ofta isär och formningsprocessen måste startas om. Därför rekommenderas det starkt att samla in fler prover än de som strikt krävs för att köra experiment och beväpna dig med tålamod.
Innan mekaniskt integreras med mikrostrukturella data är det viktigt att kontrollera att friktions glider längs den fyllosilikatrika folia som observerats längs naturliga felstenar reproduceras i labbet, eller med andra ord att den naturliga felstensmikrostrukturen liknar den som erhålls genom klippning av skivan (figur 3).
I experiment på fasta plattor som kännetecknas av tunna nätverk av phyllosilicates kan de kontinuerliga lagren av svaga mineralfaser konsumeras under betydande savning (förskjutning > 12 mm). I detta skede tillgodoses deformationen av en kombination av katakalas av de starka mineralfaserna och glider längs fyllosilikaterna. Detta sammanfaller med en fas av stamhärdning med en ökning av friktionen på ca 0,1 eller mer13.
Majoriteten av bergdeformationsexperiment, som syftar till karakterisering av friktionsegenskaperna hos tektoniska fel, utförs på millimetriska berglager som består av pulver som erhålls genom krossning och siktning av naturligafelstenar 24,27 eller på felaktiga stenar som är förskurna34. Dessa typer av experiment är grundläggande för att karakterisera friktionsegenskaperna hos fel där deformationen uppstår på felgrylar35 eller längs skarpa glidplan av lokaliserad deformation36. För fel som är rika på phyllosilicates är låg friktion och därmed felsvaghet relaterad till sammanlänkningen av de fyllosilikatrika nätverken, som på fältet manifesteras av flera anastomosing huvudsakliga halkzoner. Detta indikerar att även en liten mängd phyllosilicates kan inducera betydande felförsvagning om deras sammanlänkning är myckethög 37,38. Därför är det slutliga målet med våra laboratorieexperiment på fasta plattor att bevara den naturliga kontinuiteten i de fyllosilikatrika lagren under friktionstester.
Andra laboratorieexperiment på pulveriserade blandningar av starka och svaga mineralfaser har dokumenterat felförsvagning med tillsats av desvaga faserna 18,19,20,21,22. Det har observerats att mängder av 40-50% av phyllosilicates inducerar en betydande minskning av friktionen eftersom de under savslutning blir sammankopplade. Detta tyder på att för stora procentandelar av phyllosilicates (dvs. > 40%), är experiment på plattor eller pulver lika25.
En sammanställning av friktionstester som utförs på ett stort antal naturliga felstenar rik på phyllosilicates, wafers eller pulveriserat material med fyllosilikatprocent > 40%, under ett brett spektrum av experimentella förhållanden visar att friktionen ligger i intervallet 0,1-0,330. Detta innebär att ett betydande antal skorpor är svaga.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi erkänner Marco Albano för att ha tillhandahållit videon som handlar om optiskt mikroskop och SEM och Domenico Mannetta för bergskärningsproceduren. Denna forskning har fått stöd av ERC Grant GLASS nr 259256 och tektoniska 835012. Detta bidrag förbättrades avsevärt av kommentarer från tre anonyma granskare och av de redaktionella produktionsförslagen på videon.
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 |
References
- Janecke, S. U., Evans, J. P.
- Handy, M. R. The solid-state flow of polymineralic rocks. Journal of Geophysical Research. 95, 8647-8661 (1990).
- Bruhn, R., Parry, W. T. P., Yonkee, W. A., Thompson, T. Fracturing and hydrothermal alteration in normal fault zones. Pure and Applied Geophysics. 142, 609-644 (1994).
- Evans, J. P., Chester, F. M. Fluid-rock interaction in faults of the San Andreas system: inferences from San Gabriel fault rock geochemistry and microstruc- tures. Journal of Geophysical Research. 100, 13007-13020 (1995).
- Wintsch, R. P., Christoffersen, R., Kronenberg, A. K. Fluid-rock reaction weakening of fault zones. Journal of Geophysical Research. 100, 13021-13032 (1995).
- Manatschal, G. Fluid- and reaction-assisted low-angle normal faulting: ev- idence from rift-related brittle fault rocks in the Alps (Err nappe, eastern Switzerland). Journal of Structural Geology. 21, 777-793 (1999).
- Imber, J., Holdsworth, R. E., Butler, C. A., Lloyd, G. E. Fault-zone weakening pro- cesses along the reactivated Outer Hebrides Fault Zone, Scotland. Journal of the Geological Society. 154, 105-109 (1997).
- Wibberley, C. A. J. Are feldspar-to-mica reactions necessarily reaction-softening processes in fault zones. Journal of Structural Geology. 21, 1219-1227 (1999).
- Collettini, C., Holdsworth, R. E. Fault zone weakening processes along low- angle normal faults: insights from the Zuccale Fault, Isle of Elba, Italy. Journal of the Geological Society. 161, 1039-1051 (2004).
- Schleicher, A. M., vander Pluijm, B., Warr, L. N. Nanocoatings of clay and creep of the San Andreas fault at Parkfield, California. Geology. 38, 667-670 (2010).
- Holdsworth, R. E.
- Collettini, C., Niemeijer, A., Viti, C., Marone, C. J. Fault zone fabric and fault weakness. Nature. 462, 907-910 (2009).
- Tesei, T., Collettini, C., Barchi, M. R., Carpenter, B. M., Di Stefano, G. Heterogeneous strength and fault zone complexity of carbonate-bearing thrusts with possible implications for seismicity. Earth and Planetary Science Letters. 408, 307-318 (2014).
- Tesei, T., Lacroix, B., Collettini, C. Fault strength in thin-skinned tectonic wedges across the smectite-illite transition: constraints from friction experiments and critical tapers. Geology. , (2015).
- Tesei, T., Collettini, C., Carpenter, B. M., Viti, C., Marone, C. Frictional strength and healing behavior of phyllosilicate-rich faults. JGR Solid Earth. 117, 09402 (2012).
- Logan, J. M., Rauenzahn, K. A. Frictional dependence of gouge mixtures of quartz and montmorillonite on velocity, composition and fabric. Tectonophysics. 144, 87-108 (1987).
- Saffer, D. M., Marone, C. Comparison of smectite- and illite-rich gouge fric- tional properties: application to the updip limit of the seismogenic zone along subduction megathrusts. Earth and Planetary Science Letters. 215, 219-235 (2003).
- Moore, D. E., Lockner, D. A. Crystallographic control of the frictional behavior of dry and water-saturated sheet structure minerals. Journal of Geophysical Research. 109, (2004).
- Takahashi, M., Mizoguchi, K., Kitamura, K., Masuda, K. Effects of clay con- tent on the frictional strength and fluid transport property of faults. Journal of Geophysical Research. 112, 08206 (2007).
- Crawford, B. R., Faulkner, D. R., Rutter, E. H. Strength, porosity, and permeability development during hydrostatic and shear loading of synthetic quartz-clay fault gouge. Journal of Geophysical Research. 113, 03207 (2008).
- Giorgetti, C., Carpenter, B. M., Collettini, C. Frictional behavior of talc- calcite mixtures. Journal of Geophysical Research., Solid Earth. 120, (2015).
- Ruggeri, R., et al. The role of shale content and pore-water saturation on frictional properties of simulated carbonate faults. Tectonophysics. 807, (2021).
- Byerlee, J.
- Lockner, D. A., Morrow, C., Moore, D., Hickman, S. Low strength of deep San Andreas fault gouge from SAFOD core. Nature. 472, 82-86 (2011).
- Tesei, T., Harbord, C. W. A., De Paola, N., Collettini, C., Viti, C. Friction of min- eralogically controlled serpentinites and implications for fault weakness. JGR Solid Earth. 123, (2018).
- Shea, W. T. J., Kronenberg, A. K. Strength and anisotropy of foliated rocks with varied mica contents. Journal of Structural Geology. 15, 1097-1121 (1993).
- Marone, C. The effect of loading rate on static friction and the rate of fault healing during the earthquake cycle. Nature. 391, 69-72 (1998).
- Collettini, C., et al. BRAVA: a novel Brittle Rock deformAtion Versatile Apparatus. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 66, 114-123 (2014).
- Scuderi, M. M., Collettini, C., Viti, C., Tinti, E., Marone, C. Evolution of Shear Fabric in Granular Fault Gouge From Stable Sliding to Stick-Slip and Implications for Fault Slip Mode. Geology. , (2017).
- Collettini, C., Tesei, T., Scuderi, M. M., Carpenter, B. M., Viti, C. Beyond Byerlee friction, weak faults and implications for slip behavior. Earth and Planetary Science Letters. 519, 245-263 (2019).
- Viti, C., Collettini, C. Growth and deformation mechanisms of talc along a natural fault: a micro/nanostructural investigation. Contributions to Mineralogy and Petrology. 158, 529-542 (2009).
- Collettini, C., Niemeijer, A., Viti, C., Smith, S. A. F., Marone, C. J. Fault structure, frictional properties and mixed-mode fault slip behavior. EPSL. 311, 316-327 (2011).
- Di Toro, G., et al.
- Dieterich, J. H. Modeling of rock friction 1. Experimental results and constitutive equations. JGR Solid Earth. 84, 2161-2168 (1979).
- Sibson, R. Fault rocks and fault mechanisms. Journal of the Geological Society. 133, 191-213 (1977).
- Brodsky, E. E., Gilchrist, J. J., Sagy, A., Collettini, C. Faults smooth gradually as a function of slip. Earth and Planetary Science Letters. 302, 185-193 (2011).
- Niemeijer, A. R., Marone, C., Elsworth, D. Fabric induced weakness of tectonic faults. Geophysical Research Letters. 37, (2010).
- Lu, Z., He, C. Friction of foliated fault gouge with a biotite interlayer at hydrothermal conditions. Tectonophysics. , 72-92 (2018).
