Friksjon av phyllosilicates-rike feil kuttet i deres in situ geometri er betydelig lavere enn friksjon av deres pulveriserte ekvivalenter.
Mange bergartsdeformasjonsforsøk som brukes til å karakterisere friksjonsegenskapene til tektoniske feil utføres på pulveriserte forkastningsbergarter eller på nakne bergflater. Disse eksperimentene har vært grunnleggende for å dokumentere friksjonsegenskapene til granulære mineralfaser og gi bevis for crustal feil preget av høy friksjon. Imidlertid kan de ikke helt fange friksjonsegenskapene til feil rik på phyllosilicates.
Tallrike studier av naturlige feil har dokumentert væskeassistert reaksjonsmykning som fremmer utskifting av sterke mineraler med phyllosilicates som fordeles i kontinuerlige løvverk. For å studere hvordan disse løvverkene påvirker friksjonsegenskapene til feil vi har: 1) samlet løvverksfyllosilicate-rike bergarter fra naturlige feil; 2) kutt feilbergartsprøvene for å oppnå faste wafere 0,8-1,2 cm tykke og 5 cm x 5 cm i området med løvet parallelt med 5x5cm-ansiktet på skiven; 3) utførte friksjonstester på både faste wafere skjæring i deres in situ geometri og pulver, oppnådd ved knusing og sikting og derfor forstyrre løvet av de samme prøvene; 4) gjenvunnet prøvene for mikrostrukturelle studier fra post eksperimentet steinprøver; og 5) utførte mikrostrukturelle analyser via optisk mikroskopi, skanning og transmisjonselektronmikroskopi.
Mekaniske data viser at de faste prøvene med velutviklet løvverk viser betydelig lavere friksjon i forhold til deres pulveriserte ekvivalenter. Mikro- og nanostrukturstudier viser at lav friksjon skyldes glidning langs løvflatene sammensatt av phyllosilicates. Når de samme bergartene er pulverisert, er friksjonsstyrken høy, fordi glidende er innkvartert ved oppsprekking, kornrotasjon, oversettelse og tilhørende utvidelse. Friksjonstester tyder på at løvverksbergarter kan ha lav friksjon selv når phyllosilicates utgjør bare en liten prosentandel av det totale bergvolumet, noe som antyder at et betydelig antall crustal feil er svake.
Det overordnede målet med denne prosedyren er å teste friksjonsegenskapene til intakte phyllosilicate-rike feil skjæring i deres in situ geometri og å vise at friksjonen er betydelig lavere enn friksjon oppnådd fra eksperimenter utført på pulver av samme materiale.
Tallrike geologiske studier har dokumentert væskeassistert reaksjonsmykning under den langsiktige utviklingen av tektoniske forkastninger. Mykgjøring skjer ved utskifting av sterke mineraler, som kvarts, feltspat, kalsitt, dolomitt, olivin, pyroksen, med svake phyllosilicates1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Denne svekkelsen stammer fra kornskalaen og skyldes hovedsakelig glidning, ved svært lav friksjon, langs phyllosilicate foliae som virker sammen for å produsere en form for smøring. Fra kornskalaen overføres feilsvekkelse til hele feilsonen via forbindelsen mellom de fyllosicate-rike sonene11. For å fange rollen som friksjonsskli langs sammenkoblet phyllosilicate foliae, har intakte faste wafere av naturlige feilrockprøver blitt kuttet i deres in situ geometri under bergdeformasjonsforsøk12,13,14. På slutten av eksperimentet er det utført mikrostrukturstudier på de testede prøvene for å sjekke om deformasjonen effektivt ble innkvartert ved friksjons glidende langs phyllosilicate foliae.
Sammenlignet med tradisjonelle friksjonstester utført på pulveriserte materialer hentet fra knusing og sikting av feilbergarten, kan eksperimenter på intakte wafere fange friksjonssklien langs de sammenkoblede phyllosilicate-rike lagene dannet av væskeassistert reaksjonsmykning. Faktisk, under prosessen med pulverforberedelse, forstyrrer knusing og sikting av feilbergarten tilkoblingen til phyllosilicate-lagene, og når materialet er kuttet i laboratoriet, favoriserer fraværet av kontinuerlige phyllosilicate horisonter en deformasjon hovedsakelig bestående av kornknusing, rotasjon og oversettelse som resulterer i høy friksjon.
Eksperimenter på faste wafere viser en betydelig lavere friksjon i forhold til eksperimenter på pulverisert materiale hentet fra samme bergartstype, spesielt når prosentandelen av phyllosilicates er < 40%15. Med økende phyllosilicate overflod har en reduksjon i friksjon blitt dokumentert også for tester på pulverisert materiale, siden i dette tilfellet er det store volumet av phyllosilicates tilstrekkelig til å fremme sammenkobling av de svake mineralfasene gjennom hele eksperimentell feil16,17,18,19,20,21,22. Alternativt, for å simulere friksjons glidende på sammenkoblede svake lag, har andre typer friksjonstester blitt utført på pulver sammensatt av 100% svake mineralfaser23,24,25.
Geometrisk feil svekkelse fremmet av steinstoff i deformasjonseksperimenter ved høy temperatur, og derfor representativ for den duktile litosfæren, har vært kjent i mange år26. Resultatene fra prosedyren som presenteres her indikerer at phyllosilicate stoff fremmer feilsvekkelse også for et stort antall feil som finnes i den seismogene øvre skorpen.
Et viktig poeng verdt å nevne er at med denne prosedyren karakteriserer vi steady state-feilfriksjonsstyrken, målt med eksperimenter ved lave glidehastigheter (dvs. 0,01 μm / s < v < 100 μm / s). De målte lave friksjonsverdiene viser svakheten ved phyllosilicate-rike feil som følge av langvarig væskeassistert reaksjonsmykning og løvutvikling1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Denne lave friksjonsstyrken kan brukes som proxy for å evaluere feilstyrken ved steady-state eller under seismikkfasene i seismikksyklusen. Derfor vurderes ikke de viktige dynamiske svekkelsesmekanismene som oppstår ved høye glidehastigheter (dvs. > 10 cm /s) og indusert av temperaturøkning33 i vår analyse.
De kritiske trinnene i protokollen gjelder utvalgssamlingen og forberedelsene. Siden phyllosilicates er preget av svært lav strekkfasthet i retning vinkelrett på (001) basale plan (dvs. i retning vinkelrett på løvet), under arbeidet med hammer og meisel i feltet eller med håndkvernen i laboratoriet, faller steinprøvene ganske ofte fra hverandre og formingsprosessen må starte på nytt. Derfor anbefales det sterkt å samle flere prøver enn de som er strengt pålagt å kjøre eksperimenter og bevæpne deg med tålmodighet.
Før du integrerer mekanisk med mikrostrukturelle data, er det viktig å kontrollere at friksjonssklien langs den fyllosilisatrike foliaen som observeres langs naturlige forkastningsbergarter, reproduseres i laboratoriet, eller med andre ord at den naturlige feilen rock mikrostruktur ligner den som er oppnådd ved å skjære skiven (Figur 3).
I eksperimenter på faste wafere preget av tynne nettverk av phyllosilicates, kan de kontinuerlige lagene av svake mineralfaser konsumeres under betydelig skjæring (forskyvning > 12 mm). På dette stadiet er deformasjonen innkvartert av en kombinasjon av katalasis av de sterke mineralfasene og glidende langs phyllosilicates. Dette sammenfaller med en fase av belastningsherding med en økning i friksjon på ca 0,1 eller mer13.
De fleste bergartsdeformasjonsforsøk, rettet mot karakterisering av friksjonsegenskapene til tektoniske feil, utføres på millimetriske bergartslag som består av pulver oppnådd ved knusing og sikting av naturlige forkastningsbergarter24,27 eller på forkastningsbergarter som er forhåndskuttet34. Disse typer eksperimenter er grunnleggende for å karakterisere friksjonsegenskapene til feil der deformasjonen oppstår på feil gouges35 eller langs skarpe glideplan med lokalisert deformasjon36. For feil rik på phyllosilicates, er lav friksjon og dermed feilsvakhet relatert til forbindelsen mellom de fyllosilicate-rike nettverkene, som i feltet manifesteres av flere anastomosing viktigste slip-soner. Dette indikerer at selv en liten mengde phyllosilicates kan indusere betydelig feil svekkelse hvis deres sammenkobling er svært høy37,38. Derfor er det endelige målet med laboratorieforsøkene våre på faste wafere å bevare den naturlige kontinuiteten til de phyllosilicate-rike lagene under friksjonstester.
Andre laboratorieforsøk på pulveriserte blandinger av sterke og svake mineralfaser har dokumentert feilsvekkelse med tilsetning av de svake fasene18,19,20,21,22. Det har blitt observert at mengder på 40-50% av phyllosilicates induserer en betydelig reduksjon i friksjon fordi under skjæring blir de sammenkoblet. Dette antyder at for store prosentandeler av phyllosilicates (dvs. > 40%), eksperimenter på wafers eller pulver er lik25.
En samling av friksjonstester utført på et stort antall naturlige feilbergarter rik på phyllosilicates, wafers eller pulverisert materiale med phyllosilicates prosenter > 40%, under et bredt spekter av eksperimentelle forhold viser at friksjon er i området 0,1-0,330. Dette innebærer at et betydelig antall crustal feil er svake.
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkjenner Marco Albano for å ha levert videoen som omhandler optisk mikroskop og SEM og Domenico Mannetta for klippeprosedyren. Denne forskningen har blitt støttet av ERC Grant GLASS n° 259256 og TECTONIC n° 835012. Dette bidraget ble kraftig forbedret av kommentarene fra tre anonyme anmeldere og av de redaksjonelle produksjonsforslagene 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 |