Friktionen av phyllosilicates-rika fel som skärs i deras in situ geometri är betydligt lägre än friktionen av deras pulveriserade motsvarigheter.
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 5×5 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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |