Friktion af phyllosilicates-rige fejl klippet i deres in situ geometri er betydeligt lavere end friktion af deres pulveriserede ækvivalenter.
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.
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 phyllosilicates1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. 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 eksperimenter12,13,14. 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 eksperimentfejlen16,17,18,19, 20,21,22. Alternativt er der udført andre typer friktionstest på pulvere, der består af 100 % svage mineralfaser23,24,25, 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.
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 udvikling1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. 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 temperaturstigning33, 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 klipper24,27 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 høj37,38. 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 faser18,19,20,21,22. 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.
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkender Marco Albano for at levere videoen, der beskæftiger sig med optisk mikroskop og SEM og Domenico Mannetta til klippeskæringsproceduren. Denne forskning er blevet støttet af EFR Grant GLASS 259256 og TECTONIC n° 835012. Dette bidrag blev væsentligt forbedret af kommentarer fra tre anonyme korrekturlæsere og af de redaktionelle produktionsforslag på videoen.
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 | Eock deformation apparatusses (Marone et al., 1998; Collettini et al., 2014) |
saw to cut rocks | Plenty of companies | none | Standard saws to cat fault rocks |
SEM, scanninc 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 |