JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

De rol van stof in wrijvingseigenschappen van fyllosilicaatrijke tektonische fouten

Published: November 06, 2021
doi:
10.3791/62821
, , , , , , ,
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

Wrijving van fyllosilicaten-rijke fouten gescheurd in hun in situ geometrie is aanzienlijk lager dan wrijving van hun poedervormige equivalenten.

Abstract

Veel gesteentevervormingsexperimenten die worden gebruikt om de wrijvingseigenschappen van tektonische breuken te karakteriseren, worden uitgevoerd op gepoederde breukgesteenten of op kale rotsoppervlakken. Deze experimenten zijn van fundamenteel belang geweest om de wrijvingseigenschappen van korrelige minerale fasen te documenteren en bewijs te leveren voor crustalfouten die worden gekenmerkt door hoge wrijving. Ze kunnen echter niet volledig de wrijvingseigenschappen van breuken die rijk zijn aan fyllosilicaten vastleggen.

Talrijke studies van natuurlijke fouten hebben vloeistofondersteunde reactieverzachting gedocumenteerd die de vervanging van sterke mineralen door fyllosilicaten bevordert die worden verdeeld in continue foliaties. Om te bestuderen hoe deze gebladerte stoffen de wrijvingseigenschappen van breuken beïnvloeden, hebben we: 1) gebladerte fyllosilicaatrijke rotsen verzameld van natuurlijke breuken; 2) snijd de foutgesteentemonsters om massieve wafers te verkrijgen van 0,8-1,2 cm dik en 5 cm x 5 cm in het gebied met het gebladerte evenwijdig aan het 5×5 cm-oppervlak van de wafer; 3) wrijvingstests heeft uitgevoerd op zowel vaste wafers die in hun in situ geometrie zijn gescheurd als poeders, verkregen door verbrijzeling en zeven en daardoor het gebladerte van dezelfde monsters verstoren; 4) de monsters voor microstructurele studies uit de gesteentemonsters na het experiment hebben teruggewonnen; en 5) uitgevoerde microstructurele analyses via optische microscopie, scanning en transmissie-elektronenmicroscopie.

Mechanische gegevens tonen aan dat de vaste monsters met goed ontwikkelde foliatie significant lagere wrijving vertonen in vergelijking met hun poedervormige equivalenten. Micro- en nano-structurele studies tonen aan dat lage wrijving het gevolg is van glijden langs de bladoppervlakken die zijn samengesteld uit fyllosilicaten. Wanneer dezelfde rotsen worden gepoederd, is de wrijvingssterkte hoog, omdat glijden wordt opgevangen door breuk, korrelrotatie, translatie en bijbehorende verwijding. Wrijvingstests geven aan dat gebladerte breukgesteenten een lage wrijving kunnen hebben, zelfs wanneer fyllosilicaten slechts een klein percentage van het totale gesteentevolume uitmaken, wat impliceert dat een aanzienlijk aantal aardkorstfouten zwak is.

Introduction

Het algemene doel van deze procedure is om de wrijvingseigenschappen van intacte fyllosilicaatrijke fouten in hun in situ geometrie te testen en aan te tonen dat hun wrijving aanzienlijk lager is dan wrijving verkregen uit experimenten uitgevoerd op poeders van hetzelfde materiaal.

Talrijke geologische studies hebben vloeistofondersteunde reactieverzachting gedocumenteerd tijdens de langetermijnevolutie van tektonische fouten. Verzachting vindt plaats door de vervanging van sterke mineralen, zoals kwarts, veldspaat, calciet, dolomiet, olivijn, pyroxeen, door zwakke fyllosilicaten1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Deze verzwakking ontstaat op de korrelschaal en is voornamelijk te wijten aan het glijden, bij zeer lage wrijving, langs de fyllosilicaat foliae die samenwerken om een vorm van smering te produceren. Vanaf de korrelschaal wordt foutverzwakking doorgegeven aan de gehele breukzone via de interconnectiviteit van de fyllosilicaatrijke zones11. Om de rol van wrijvingsglijden langs onderling verbonden fyllosilicaat foliae vast te leggen, zijn intacte massieve wafers van natuurlijke foutgesteentemonsters gescheurd in hun in situ geometrie tijdens gesteentevervormingsexperimenten12,13,14. Aan het einde van het experiment zijn microstructurele studies op de geteste monsters uitgevoerd om te controleren of de vervorming effectief werd opgevangen door wrijvingsglijden langs de fyllosilicaat foliae.

In vergelijking met traditionele wrijvingstests die worden uitgevoerd op poedervormige materialen die worden verkregen door het breken en zeven van het breukgesteente, kunnen experimenten met intacte wafers de wrijvingsglijden langs de onderling verbonden fyllosilicaatrijke lagen vangen die worden gevormd door vloeistofondersteunde reactieverzachting. In feite verstoort tijdens het proces van poederbereiding het breken en zeven van het breukgesteente de connectiviteit van de fyllosilicaatlagen en wanneer het materiaal in het laboratorium wordt geschoren, bevordert de afwezigheid van continue fyllosilicatenhorizonten een vervorming die voornamelijk bestaat uit korrelverplettering, rotatie en translatie die resulteert in hoge wrijving.

Experimenten met vaste wafers laten een significant lagere wrijving zien in vergelijking met experimenten op poedervormig materiaal verkregen uit hetzelfde gesteentetype, vooral wanneer het percentage van de fyllosilicaten < 40%is 15. Met een toenemende overvloed aan fyllosilicaten is een vermindering van de wrijving ook gedocumenteerd voor tests op poedervormig materiaal, omdat in dit geval het grote volume fyllosilicaten voldoende is om de interconnectiviteit van de zwakke minerale fasen door de gehele experimentele fout te bevorderen16,17,18,19,20,21,22. Als alternatief, om wrijvingsglijden op de onderling verbonden zwakke lagen te simuleren, zijn andere soorten wrijvingstests uitgevoerd op poeders die zijn samengesteld uit 100% zwakke minerale fasen23,24,25.

Geometrische foutverzwakking bevorderd door gesteenteweefsel in vervormingsexperimenten bij hoge temperatuur, en daarom representatief voor de nodulaire lithosfeer, is al vele jaren bekend26. De resultaten van de hier gepresenteerde procedure geven aan dat fyllosilicaatweefsel ook voor een groot aantal fouten in de seismogene bovenkorst foutverzwakking bevordert.

Protocol

1. Verzameling van rotsmonsters Selecteer in een goed blootgestelde uitloper van een natuurlijke fyllosilicaatrijke breuk de juiste belichting (breukgesteente goed bewaard langs een vlak met breuklijn) waar een representatief gesteentemonster voor de experimenten moet worden verzameld. Zorg ervoor dat u een breukgesteente selecteert met een bladafstand die niet groter is dan een paar millimeter. Dit wordt gedaan om fyllosilicaathorizonten vast te leggen in rechthoekige wafers tot 1,5 cm dik die tijdens wrijvingsexperimenten worden gescheurd. Gebruik een hamer en beitel om een breukgesteentemonster te verkrijgen met een oppervlakte van ongeveer 10 cm x 10 cm en een dikte van meer dan 3 cm. Markeer het gevoel van afscheren op het gesteentemonster, op basis van kinematische indicatoren die in het veld worden waargenomen (bijv. Gladde zijden, foliaties, sleepplooien, enz.).OPMERKING: Het oppervlak van het monster kan kleiner zijn dan 10 cm x 10 cm, maar het moet groter zijn dan 5 cm x 5 cm, dat is de afmeting van de forceerblokken van het experimentele apparaat.LET OP: De gebladerte gesteentemonsters zijn zeer brokkelig en daarom kan het na de verzameling nuttig zijn om het monster in te pakken met wat tape of een plastic film. Het is verplicht dat verzamelde monsters niet worden gewijzigd door verwering en daarom dat deze rotsen het breukgesteente op seismogene diepte vertegenwoordigen. 2. Monstervoorbereiding voor wrijvingsexperimenten in de configuratie met dubbele directe afschuif Snijd het gesteentemonster om rechthoekige wafers te verkrijgen die passen op de forceerblokken van het rotsvervormingsapparaat. Dit wordt meestal in twee stappen bereikt: gebruik in de eerste stap een standaard laboratoriumzaag om een gesteentemonster te verkrijgen dat iets groter is dan de forceerblokken; ten tweede gebruik een zeer nauwkeurig roterend mes of een handslijper om wafers te vormen met een oppervlakte van 5 cm x 5 cm en een dikte van 0,8-1,2 cm(figuur 1,links). Voor een standaard double-direct shear test zijn twee wafers van hetzelfde gesteente nodig om een enkel experiment uit te voeren. Zorg er tijdens de snij- en vormprocedure voor dat de natuurlijke fyllosilicaatrijke schuifvlakken in het monster evenwijdig aan het oppervlak van de forceerblokken worden gehouden. Dit betekent dat het gebladerte evenwijdig is aan het 5 cm x 5 cm vlak van de wafer. Gebruik een schijfmolen om het resterende materiaal uit de snede van de intacte monsters te verpletteren en zeef het materiaal om poeders te verkrijgen met een korrelgrootte <125 μm(figuur 1,rechts). Monteer twee identieke wafers op roestvrijstalen forceerblokken met een nominaal wrijvingscontactoppervlak van 5 cm × 5 cm en monteer ze vervolgens met het centrale forceerblok om de symmetrische dubbele directe schuifconfiguratie samen te stellen.OPMERKING: Het is belangrijk dat het door de machine aan het monster opgelegde afschuifzin samenvalt met het natuurlijke gevoel van afschuiven dat op de wafer is geregistreerd en in punt 1.3 is gemarkeerd. Gebruik de poeders om twee identieke rotslagen te construeren met een dikte van ongeveer 5 mm en een oppervlakte van 5 cm x 5 cm2. Voor deze poedervormige gesteentemonsters wordt het natuurlijke gebladerte vernietigd door de monstervoorbereidingsprocedure met een schijfmolen. Gebruik een nauwkeurige nivelleringsmal om een uniforme en reproduceerbare gesteentelaag te verkrijgen die bestaat uit poedervormig materiaal. Stel de symmetrische dubbele directe schuifmontage samen. 3. Wrijvingsexperimenten In een biaxiaal apparaat27,28 gebruiken de horizontale servogestuurde hydraulische zuiger om een constante normale spanning op het gesteentemonster toe te passen en te behouden. Breng schuifspanning aan bij een constante verplaatsingssnelheid, meestal 10 μm/s, via de verticale servogestuurde hydraulische zuiger.OPMERKING: Belastingen worden gemeten via twee loadcellen met rekstrook (nauwkeurigheid 0,03 kN) die tussen de ram en het monsterassemblage zijn geplaatst. Horizontale en verticale verplaatsingen worden gemeten door LVDT (lineaire variabele differentiële transducers), met een nauwkeurigheid van 0,1 μm, waarnaar wordt verwezen bij het belastingsframe en de bovenzijde van de ram27,28. Karakteriseer alle experimenten door een initiële spanningsharding, waarbij de schuifspanning snel toeneemt tijdens elastische belasting, vóór een vloeipunt, gevolgd door afschen bij een steady-state waarde van wrijvingsspanning. 4. Post-experimentele monsterverzameling Aan het einde van de wrijvingstest, voorzichtig extraheren van de experimentele fout. Elastiekjes of plakband kunnen op het monster worden aangebracht voordat de belasting wordt verwijderd om de integriteit van de vervormde rotsen te behouden. Impregneer met epoxyhars de rotsmonsters. Vermijd indien mogelijk voor poederexperimenten vacuümimpregnatie om schade aan de oorspronkelijke microstructuur door de geforceerde stroom van de hars in het monster te voorkomen. Snijd deze gesteentemonsters parallel aan de experimentele schuifrichting. Er zijn verschillende manieren om de experimentele schuifrichting te volgen. In onze dubbele directe afschuifconfiguratie worden de oppervlakken van de stalen schuifblokken in contact met gutslagen bewerkt met groeven van 0,8 mm hoog en 1 mm uit elkaar gezet om slip op het grensvlak tussen gutsen en staal te voorkomen en om afschuifvervorming in de gutsen te garanderen, daarom staat in onze experimenten de afschuifrichting loodrecht op groeven. Bouw dunne secties van de sneden voor microstructurele studies. 5. Microstructurele analyse Onderzoek met een optische microscoop om de microstructuur van de bulkfoutzone te karakteriseren. Gebruik een scanning elektronenmicroscoop (SEM) om de belangrijkste vervormingsprocessen te onderzoeken. Gebruik een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) om details te verkrijgen over de vervormingsprocessen op nanoschaal. Details over het uitvoeren van microstructurele analyse zijn te vinden in eerdere publicaties4,5,6,7,8,9,10,29.

Representative Results

In een diagram van normale spanning versus schuifspanning plotten zowel vaste gebladerte als poedervormige monsters langs een lijn die consistent is met een broze faastoringsenvelop, maar de vaste wafers hebben wrijvingswaarden die aanzienlijk lager zijn dan hun poedervormige analogen30. In het specifieke geval van een talkrijk gebladerte hebben gebladertegesteenten bij elke normale spanning bijvoorbeeld een wrijvingscoëfficiënt die 0,2-0,3 lager is dan de poeders die ervan zijn gemaakt (figuur 2 en12). De lagere wrijving wordt verklaard door microstructurele studies van de geteste gesteenten waaruit blijkt dat de glijvlakken van de gebladerte vaste wafers voorkomen langs de reeds bestaande fyllosilicaatrijke foliatie. TEM-afbeeldingen laten zien dat slip voornamelijk wordt opgevangen door (001) gemakkelijk glijden in verband met delaminatie tussen de lagen. Experimentele microstructuren van het poedervormige materiaal laten daarentegen zien dat significante vervorming wordt opgevangen door verkleining en lokalisatie van de korrelgrootte. Hoewel de gebladerte wafers van intacte breukgesteenten en hun poeders identieke mineralogische samenstellingen hebben, vertonen de gebladerte monsters een wrijving die aanzienlijk lager is dan hun poedervormige analogen. Microstructurele studies geven aan dat de lagere wrijving (d.w.z. foutzwakte) van de gebladerte breukgesteenten te wijten is aan de reactivering van de reeds bestaande natuurlijke fyllosilicaatrijke oppervlakken die afwezig zijn in de poedervormige monsters omdat de monstervoorbereidingsstappen (2.2 – 2.4) ze verstoren. Figuur 1: Representatieve afbeeldingen van de geteste breukgesteenten: massief gebladerte vs. poedervormig materiaal. (links) Vaste gebladerte monsters evenwijdig gescheurd aan de natuurlijke bladafvoer gemarkeerd door de pijlen. (rechts) Poeders verkregen door het massieve gebladerte te pletten en te zeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Wrijvingsproeven op hetzelfde materiaal (talkrijk gebladerte) maar vaste gebladerte monsters vs. gesteente in poedervorm. Elke dataset plot langs een lijn die consistent is met een broze faalomhulling, maar de vaste gebladerte gesteenten worden gekenmerkt door wrijving die aanzienlijk lager is dan hun poedervormige analoog, wrijving, μ = respectievelijk 0,3 en μ = 0,57. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Natuurlijke vs. laboratorium gereactiveerde bladvorming. In de linker afbeelding een voorbeeld van een natuurlijke talkrijke foliatie met omringende sigmoïdale klasten van calciet31. De rechterfoto toont dezelfde bladvorming aan het einde van een wrijvingstest op wafers32. Merk op dat tijdens de wrijvingstest het grootste deel van de slip optreedt door wrijvingsglijden langs de fyllosilicaatlagen en dat de oorspronkelijke microstructuur behouden blijft. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Een belangrijk punt dat het vermelden waard is, is dat we met deze procedure de wrijvingssterkte van de steady state-fout karakteriseren, gemeten met experimenten met lage glijsnelheden (d.w.z. 0,01 μm / s < v < 100 μm / s). De gemeten lage wrijvingswaarden tonen de zwakte van fyllosilicaatrijke fouten als gevolg van langdurige vloeistofondersteunde reactieverzachting en bladontwikkeling1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Deze lage wrijvingssterkte kan worden gebruikt als een proxy om de foutsterkte bij steady-state of tijdens de pre-seismische fasen van de seismische cyclus te evalueren. Daarom worden de belangrijke dynamische verzwakkingsmechanismen die optreden bij hoge slipsnelheden (d.w.z. > 10 cm / s) en geïnduceerd door temperatuurstijging33 niet in aanmerking genomen in onze analyse.

De kritische stappen in het protocol hebben betrekking op de monstername en -voorbereiding. Aangezien fyllosilicaten worden gekenmerkt door een zeer lage treksterkte in de richting loodrecht op de (001) basale vlakken (d.w.z. in de richting loodrecht op het gebladerte), vallen tijdens het werk met de hamer en beitel in het veld of met de handslijper in het laboratorium heel vaak de rotsmonsters uit elkaar en moet het vormproces opnieuw worden opgestart. Daarom wordt het sterk aanbevolen om meer monsters te verzamelen dan die strikt vereist zijn om experimenten uit te voeren en jezelf te bewapenen met geduld.

Alvorens mechanische met microstructurele gegevens te integreren, is het belangrijk om te controleren of de wrijvingsglijd langs de fyllosilicaatrijke foliae waargenomen langs natuurlijke breukgesteenten in het laboratorium wordt gereproduceerd, of met andere woorden dat de microstructuur van het natuurlijke breukgesteente vergelijkbaar is met die verkregen door het scheren van de wafer (Figuur 3).

In experimenten met vaste wafers die worden gekenmerkt door dunne netwerken van fyllosilicaten, kunnen de continue lagen van zwakke minerale fasen worden verbruikt tijdens significant afschuiven (verplaatsing > 12 mm). In dit stadium wordt de vervorming opgevangen door een combinatie van kataclase van de sterke minerale fasen en glijden langs de fyllosilicaten. Dit valt samen met een fase van spanningsharding met een toename van de wrijving van ongeveer 0,1 of meer13.

De meeste gesteentevervormingsexperimenten, gericht op de karakterisering van de wrijvingseigenschappen van tektonische breuken, worden uitgevoerd op millimetrische gesteentelagen die zijn samengesteld uit poeders die worden verkregen door het breken en zeven van natuurlijke breukgesteenten24,27 of op breukgesteenten die vooraf zijn gesneden34. Dit soort experimenten zijn fundamenteel om de wrijvingseigenschappen van fouten te karakteriseren waar de vervorming optreedt op breuk gutsen35 of langs scherpe slipvlakken van gelokaliseerde vervorming36. Voor breuken die rijk zijn aan fyllosilicaten, is lage wrijving en dus foutzwakte gerelateerd aan de interconnectiviteit van de fyllosilicaatrijke netwerken, die zich in het veld manifesteert door meerdere anastomoserende hoofdslipzones. Dit geeft aan dat zelfs een kleine hoeveelheid fyllosilicaten aanzienlijke foutverzwakking kan veroorzaken als hun interconnectiviteit zeer hoog is37,38. Daarom is het uiteindelijke doel van onze laboratoriumexperimenten op vaste wafers om de natuurlijke continuïteit van de fyllosilicaatrijke lagen tijdens wrijvingstests te behouden.

Andere laboratoriumexperimenten op poedervormige mengsels van sterke en zwakke minerale fasen hebben foutverzwakking gedocumenteerd met de toevoeging van de zwakke fasen18,19,20,21,22. Er is waargenomen dat hoeveelheden van 40-50% van fyllosilicaten een significante vermindering van wrijving veroorzaken omdat ze tijdens het scheren onderling verbonden raken. Dit suggereert dat voor grote percentages fyllosilicaten (d.w.z. > 40%), experimenten met wafers of poeders vergelijkbaar zijn25.

Een compilatie van wrijvingsproeven uitgevoerd op een groot aantal natuurlijke breukgesteenten die rijk zijn aan fyllosilicaten, wafers of poedervormig materiaal met fyllosilicatenpercentages > 40%, onder een breed scala van experimentele omstandigheden, toont aan dat de wrijving in het bereik van 0,1-0,330ligt . Dit impliceert dat een aanzienlijk aantal korstbreuken zwak is.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We zijn vriendelijk om Marco Albano te bedanken voor het leveren van de video over optische microscoop en SEM en Domenico Mannetta voor de steensnijprocedure. Dit onderzoek werd ondersteund door de ERC Grant GLASS n° 259256 en TECTONIC n° 835012. Deze bijdrage werd sterk verbeterd door de opmerkingen van drie anonieme recensenten en door de redactionele productiesuggesties op de video.

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Janecke, S. U., Evans, J. P. Feldspar-influenced rock rheologies. Geology. 16, 1064-1067 (1988).
  2. Handy, M. R. The solid-state flow of polymineralic rocks. Journal of Geophysical Research. 95, 8647-8661 (1990).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Wintsch, R. P., Christoffersen, R., Kronenberg, A. K. Fluid-rock reaction weakening of fault zones. Journal of Geophysical Research. 100, 13021-13032 (1995).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Wibberley, C. A. J. Are feldspar-to-mica reactions necessarily reaction-softening processes in fault zones. Journal of Structural Geology. 21, 1219-1227 (1999).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Holdsworth, R. E. Weak faults-rotten cores. Science. 303, 181-182 (2004).
  12. Collettini, C., Niemeijer, A., Viti, C., Marone, C. J. Fault zone fabric and fault weakness. Nature. 462, 907-910 (2009).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Giorgetti, C., Carpenter, B. M., Collettini, C. Frictional behavior of talc- calcite mixtures. Journal of Geophysical Research., Solid Earth. 120, (2015).
  22. Ruggeri, R., et al. The role of shale content and pore-water saturation on frictional properties of simulated carbonate faults. Tectonophysics. 807, (2021).
  23. Byerlee, J. Friction of rocks. Pure and Applied Geophysics. 116, 615-626 (1978).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Collettini, C., et al. BRAVA: a novel Brittle Rock deformAtion Versatile Apparatus. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 66, 114-123 (2014).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Di Toro, G., et al. Fault lubrication during earthquakes. Nature. 471 (7339), 494-498 (2011).
  34. Dieterich, J. H. Modeling of rock friction 1. Experimental results and constitutive equations. JGR Solid Earth. 84, 2161-2168 (1979).
  35. Sibson, R. Fault rocks and fault mechanisms. Journal of the Geological Society. 133, 191-213 (1977).
  36. 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).
  37. Niemeijer, A. R., Marone, C., Elsworth, D. Fabric induced weakness of tectonic faults. Geophysical Research Letters. 37, (2010).
  38. Lu, Z., He, C. Friction of foliated fault gouge with a biotite interlayer at hydrothermal conditions. Tectonophysics. , 72-92 (2018).

Tags

FabricFrictional PropertiesPhyllosilicate-richTectonic FaultsFluid-assisted Reaction SofteningPhyllosilicatesFracturingPermeabilityHydrous FluidsQuartzFeldsparCalciteFoliated MicrostructuresPhyllosilicate Shear ZonesAnisotropyKinematic IndicatorsRock Deformation ApparatusWafersGranular Material

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Collettini, C., Tesei, T., Trippetta, F., Scuderi, M. M., Richardson, E., Marone, C., Pozzi, G., Viti, C. The Role of Fabric in Frictional Properties of Phyllosilicate-Rich Tectonic Faults. J. Vis. Exp. (177), e62821, doi:10.3791/62821 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image