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Environment

Le rôle du tissu dans les propriétés de frottement des failles tectoniques riches en phyllosilicate

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

Le frottement des failles riches en phyllosilicates cisaillées dans leur géométrie in situ est significativement inférieur au frottement de leurs équivalents en poudre.

Abstract

De nombreuses expériences de déformation des roches utilisées pour caractériser les propriétés de frottement des failles tectoniques sont effectuées sur des roches de failles en poudre ou sur des surfaces rocheuses nues. Ces expériences ont été fondamentales pour documenter les propriétés de frottement des phases minérales granulaires et fournir des preuves de failles de la croûte caractérisées par un frottement élevé. Cependant, ils ne peuvent pas entièrement capturer les propriétés de frottement des failles riches en phyllosilicates.

De nombreuses études sur les défauts naturels ont documenté un ramollissement de la réaction assistée par fluide favorisant le remplacement des minéraux forts par des phyllosilicates qui sont distribués en foliations continues. Pour étudier comment ces tissus foliés influencent les propriétés de frottement des failles, nous avons: 1) recueilli des roches foliées riches en phyllosilicate à partir de failles naturelles; 2) couper les échantillons de roche de faille pour obtenir des plaquettes solides de 0,8 à 1,2 cm d’épaisseur et de 5 cm x 5 cm de surface avec la foliation parallèle à la face de 5×5 cm de la plaquette; 3) effectué des essais de frottement sur des plaquettes solides cisaillées dans leur géométrie in situ et sur des poudres, obtenues par concassage et tamisage et perturbant ainsi la foliation des mêmes échantillons; 4) récupéré les échantillons pour des études microstructurales à partir des échantillons de roche post-expérience; et 5) effectué des analyses microstructurales par microscopie optique, microscopie électronique à balayage et à transmission.

Les données mécaniques montrent que les échantillons solides avec une foliation bien développée présentent un frottement significativement plus faible par rapport à leurs équivalents en poudre. Des études micro et nanostructurales démontrent qu’un faible frottement résulte du glissement le long des surfaces de foliation composées de phyllosilicates. Lorsque les mêmes roches sont poudreuses, la résistance au frottement est élevée, car le glissement est accommodé par la fracturation, la rotation des grains, la translation et la dilatation associée. Les essais de frottement indiquent que les roches de faille foliées peuvent avoir un faible frottement même lorsque les phyllosilicates ne constituent qu’un faible pourcentage du volume total de la roche, ce qui implique qu’un nombre important de failles de la croûte terrestre sont faibles.

Introduction

L’objectif global de cette procédure est de tester les propriétés de frottement des failles intactes riches en phyllosilicate cisaillées dans leur géométrie in situ et de montrer que leur frottement est significativement inférieur au frottement obtenu à partir d’expériences menées sur des poudres du même matériau.

De nombreuses études géologiques ont documenté l’adoucissement des réactions assistées par fluide au cours de l’évolution à long terme des failles tectoniques. Le ramollissement se produit par le remplacement de minéraux forts, comme le quartz, le feldspath, la calcite, la dolomite, l’olivine, le pyroxène, par des phyllosilicates faibles1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Cet affaiblissement provient de l’échelle du grain et est principalement dû au glissement, à très faible frottement, le long des foliae phyllosilicate qui agissent ensemble pour produire une forme de lubrification. À partir de l’échelle des grains, l’affaiblissement de la faille est transmis à l’ensemble de la zone de faille via l’interconnectivité des zones riches en phyllosilicate11. Pour saisir le rôle du glissement par frottement le long des foliae phyllosilicate interconnectées, des plaquettes solides intactes d’échantillons naturels de roches de faille ont été cisaillées dans leur géométrie in situ lors d’expériences de déformation de la roche12,13,14. À la fin de l’expérience, des études microstructurales sur les échantillons testés ont été effectuées pour vérifier si la déformation était effectivement prise en compte par glissement par frottement le long des foliaes phyllosilicates.

Par rapport aux essais de frottement traditionnels effectués sur des matériaux en poudre obtenus par concassage et tamisage de la roche de faille, des expériences sur des plaquettes intactes peuvent capturer le glissement de friction le long des couches interconnectées riches en phyllosilicate formées par le ramollissement par réaction assistée par fluide. En effet, lors du processus de préparation de la poudre, le concassage et le tamisage de la roche de faille perturbent la connectivité des couches de phyllosilicate et lorsque le matériau est cisaillé en laboratoire, l’absence d’horizons continus de phyllosilicate favorise une déformation consistant principalement en un broyage, une rotation et une translation des grains entraînant un frottement élevé.

Les expériences sur plaquettes solides montrent un frottement significativement plus faible par rapport aux expériences sur du matériau en poudre obtenu à partir du même type de roche, en particulier lorsque le pourcentage des phyllosilicates est < 40%15. Avec l’augmentation de l’abondance de phyllosilicates, une réduction du frottement a également été documentée pour les essais sur du matériel en poudre, car dans ce cas, le grand volume de phyllosilicates est suffisant pour favoriser l’interconnectivité des phases minérales faibles à travers l’ensemble de la faille expérimentale16,17,18 ,19,20,21,22. Alternativement, pour simuler le glissement par frottement sur les couches faibles interconnectées, d’autres types d’essais de frottement ont été effectués sur des poudres composées de phases minérales 100% faibles23,24,25.

L’affaiblissement géométrique des failles favorisé par le tissu rocheux dans les expériences de déformation à haute température, et donc représentatif de la lithosphère ductile, est bien connu depuis de nombreuses années26. Les résultats obtenus à partir de la procédure présentée ici indiquent que le tissu phyllosilicate favorise l’affaiblissement des défauts également pour un grand nombre de défauts contenus dans la croûte supérieure sismogène.

Protocol

1. Collecte d’échantillons de roche Dans un affleurement bien exposé d’une faille naturelle riche en phyllosilicate, sélectionnez la bonne exposition (roche de faille bien conservée le long d’un plan contenant une linéation de faille) où recueillir un échantillon de roche représentatif pour les expériences. Prenez soin de sélectionner une roche de faille avec un espacement de foliation ne dépassant pas quelques millimètres. Ceci est fait pour capturer les horizons de phyllosilicate dans des plaquettes rectangulaires jusqu’à 1,5 cm d’épaisseur qui seront cisaillées lors d’expériences de frottement. Utilisez un marteau et un ciseau pour obtenir un échantillon de roche de faille d’une surface d’environ 10 cm x 10 cm et d’une épaisseur supérieure à 3 cm. Marquez la sensation de cisaillement sur l’échantillon de roche, en fonction des indicateurs cinématiques observés sur le terrain (p. ex. slickensides, foliations, plis de traînée, etc.).REMARQUE: La surface de l’échantillon peut être inférieure à 10 cm x 10 cm, mais elle doit être supérieure à 5 cm x 5 cm, c’est-à-dire la dimension des blocs de forçage de l’appareil expérimental.ATTENTION: Les échantillons de roche foliée sont très friables et, par conséquent, après la collecte, il peut être utile d’envelopper l’échantillon avec du ruban adhésif ou un film plastique. Il est obligatoire que les échantillons prélevés ne soient pas altérés par les intempéries et donc que ces roches représentent la roche de faille à la profondeur sismogène. 2. Préparation de l’échantillon pour les expériences de frottement dans la configuration à double cisaillement direct Coupez l’échantillon de roche pour obtenir des plaquettes rectangulaires qui s’adaptent aux blocs de forçage de l’appareil de déformation de la roche. Ceci est généralement réalisé en deux étapes: dans la première étape, utilisez une scie de laboratoire standard pour obtenir un échantillon de roche légèrement plus grand que les blocs de forçage; deuxièmement, utilisez une lame rotative de haute précision ou une meuleuse à main pour façonner des plaquettes de 5 cm x 5 cm de surface et de 0,8 à 1,2 cm d’épaisseur(Figure 1,à gauche). Pour un essai standard de cisaillement double direct, deux plaquettes de la même roche seront nécessaires pour effectuer une seule expérience. Pendant la procédure de coupe et de mise en forme, assurez-vous que les plans de cisaillement naturels riches en phyllosilicate contenus dans l’échantillon sont maintenus parallèles à la surface des blocs de forçage. Cela signifie que la foliation est parallèle à la face de 5 cm x 5 cm de la plaquette. Utilisez un broyeur à disques pour écraser le matériau restant de la coupe des échantillons intacts et tamisez le matériau pour obtenir des poudres d’une granulométrie <125 μm (Figure 1, à droite). Montez deux plaquettes identiques sur des blocs de forçage en acier inoxydable avec une surface de contact de frottement nominale de 5 cm × 5 cm, puis assemblez-les avec le bloc de forçage central pour composer la configuration symétrique à double cisaillement direct.REMARQUE: Il est important que le sens de cisaillement imposé par la machine sur l’échantillon coïncide avec le sens naturel de cisaillement enregistré sur la plaquette et marqué au point 1.3. Utilisez les poudres pour construire deux couches rocheuses identiques d’une épaisseur d’environ 5 mm et d’une surface de 5 cm x 5 cm2. Pour ces échantillons de roche en poudre, la foliation naturelle est détruite par la procédure de préparation de l’échantillon avec un broyeur à disques. Utilisez un gabarit de nivellement précis pour obtenir une couche rocheuse uniforme et reproductible composée de matériau en poudre. Composez l’assemblage symétrique à double cisaillement direct. 3. Expériences de friction Dans un appareilbiaxial 27,28, utilisez le piston hydraulique servocommandé horizontal pour appliquer et maintenir une contrainte normale constante à l’échantillon de roche. Appliquez une contrainte de cisaillement à vitesse de déplacement constante, généralement de 10 μm/s, via le piston hydraulique servocommandé vertical.REMARQUE: Les charges sont mesurées à l’aide de deux capteurs de pesage de jauge de contrainte (précision de 0,03 kN) positionnés entre le bélier et l’ensemble échantillon. Les déplacements horizontaux et verticaux sont mesurés par LVDT (transducteurs différentiels variables linéaires), avec une précision de 0,1 μm, référencés au niveau du cadre de charge et de la face supérieure du bélier27,28. Caractériser toutes les expériences par un durcissement initial à la déformation, où la contrainte de cisaillement augmente rapidement pendant la charge élastique, avant une limite d’élasticité, suivie d’un cisaillement à une valeur à l’état d’équilibre de la contrainte de frottement. 4. Prélèvement d’échantillons post-expérimental À la fin de l’essai de frottement, extraire soigneusement le défaut expérimental. Des élastiques ou du ruban adhésif peuvent être appliqués sur l’échantillon avant l’enlèvement de la charge pour maintenir l’intégrité des roches déformées. Imprégner de résine époxy les échantillons de roche. Si possible pour les expériences en poudre, évitez l’imprégnation sous vide pour éviter d’endommager la microstructure d’origine par l’écoulement forcé de la résine dans l’échantillon. Coupez ces échantillons de roche parallèlement à la direction de cisaillement expérimentale. Il existe plusieurs façons de suivre la direction de cisaillement expérimentale. Dans notre configuration à double cisaillement direct, les surfaces des blocs coulissants en acier en contact avec les couches de gouge sont usinées avec des rainures de 0,8 mm de haut et espacées de 1 mm pour éviter le glissement à l’interface entre les gouges et l’acier et pour assurer la déformation du cisaillement à l’intérieur des gouges, donc dans nos expériences, la direction de cisaillement est perpendiculaire aux rainures. Construisez des sections minces à partir des coupes pour les études microstructurales. 5. Analyse microstructurale Étudiez à l’avec un microscope optique pour caractériser la microstructure de la zone de faille en vrac. Utilisez un microscope électronique à balayage (MEB) pour étudier les principaux processus de déformation. Utilisez un microscope électronique à transmission (TEM) pour obtenir des détails sur les processus de déformation à l’échelle nanométrique. Des détails sur la façon d’effectuer une analyse microstructurale peuvent être trouvés dans les publicationsprécédentes4,5,6,7,8,9,10,29.

Representative Results

Dans un diagramme de contrainte normale par rapport à la contrainte de cisaillement, les échantillons solides foliés et en poudre tracent le long d’une ligne compatible avec une enveloppe de défaillance fragile, mais les plaquettes solides ont des valeurs de frottement significativement inférieures à celles de leurs analogues en poudre30. Par exemple, dans le cas spécifique d’une foliation riche en talc, les roches de faille foliées à chaque contrainte normale ont un coefficient de frottement inférieur de 0,2 à 0,3 aux poudres qui en sont issues(figures 2 et12). Le frottement plus faible s’explique par des études microstructurales des roches testées montrant que les surfaces glissantes des plaquettes solides foliées se produisent le long de la foliation riche en phyllosilicate préexistante. Les images TEM montrent que le glissement est principalement pris en charge par (001) glissement facile associé au délaminage intercalaire. En revanche, les microstructures expérimentales du matériau en poudre montrent qu’une déformation importante est prise en compte par la réduction de la taille des grains et la localisation. Bien que les plaquettes foliées de roches de faille intactes et leurs poudres aient des compositions minéralogiques identiques, les échantillons foliés montrent un frottement nettement inférieur à celui de leurs analogues en poudre. Les études microstructurales indiquent que le frottement plus faible (c.-à-d. faiblesse de faille) des roches de faille foliées est dû à la réactivation des surfaces naturelles préexistantes riches en phyllosilicate qui sont absentes dans les échantillons en poudre puisque les étapes de préparation de l’échantillon (2.2 – 2.4) les perturbent. Figure 1: Images représentatives des roches de faille testées : matière solide foliée vs poudre. ( àgauche) Échantillons solides foliés cisaillés parallèlement à la foliation naturelle marquée par les flèches. (à droite) Poudres obtenues par concassage et tamisage de la roche foliée solide. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 2: Essais de frottement sur le même matériau (foliation riche en talc) mais échantillons solides foliés par rapport à la roche en poudre. Chaque ensemble de données trace le long d’une ligne compatible avec une enveloppe de rupture fragile, mais les roches foliées solides sont caractérisées par un frottement significativement inférieur à leur analogue en poudre, le frottement, μ = 0,3 et μ = 0,57 respectivement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 3: Foliation naturelle ou réactivée en laboratoire. Dans l’image de gauche, un exemple de foliation naturelle riche en talc avec des clastes sigmoïdaux environnants de calcite31. L’image de droite montre la même foliation à la fin d’un essai de frottement sur des plaquettes32. Notez que pendant l’essai de frottement, la majeure partie du glissement se produit par glissement par frottement le long des couches de phyllosilicate et que la microstructure d’origine est préservée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Un point important à mentionner est qu’avec cette procédure, nous caractérisons la résistance au frottement de la faille à l’état d’équilibre, mesurée avec des expériences à de faibles vitesses de glissement (c’est-à-dire 0,01 μm / s < v < 100 μm / s). Les faibles valeurs de frottement mesurées démontrent la faiblesse des défauts riches en phyllosilicate résultant du ramollissement assisté par fluide à long terme et du développement de la foliation1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Cette faible résistance au frottement peut être utilisée comme approximation pour évaluer la résistance de la faille à l’état d’équilibre ou pendant les phases présismiques du cycle sismique. Par conséquent, les importants mécanismes d’affaiblissement dynamique qui se produisent à des vitesses de glissement élevées (c.-à-d. > 10 cm/s) et induits par l’élévation de température33 ne sont pas pris en compte dans notre analyse.

Les étapes critiques du protocole concernent la collecte et la préparation des échantillons. Étant donné que les phyllosilicates sont caractérisés par une très faible résistance à la traction dans la direction perpendiculaire aux plans basaux (001) (c’est-à-dire dans la direction perpendiculaire à la foliation), pendant le travail avec le marteau et le ciseau dans le champ ou avec la meuleuse à main dans le laboratoire, assez souvent les échantillons de roche se désagrègent et le processus de mise en forme doit redémarrer. Par conséquent, il est fortement recommandé de collecter plus d’échantillons que ceux strictement nécessaires pour mener des expériences et vous armer de patience.

Avant d’intégrer les données mécaniques aux données microstructurales, il est important de vérifier que le glissement par frottement le long des foliae riches en phyllosilicate observé le long des roches de faille naturelles est reproduit en laboratoire, ou en d’autres termes que la microstructure de roche de faille naturelle est similaire à celle obtenue par cisaillement de la plaquette (Figure 3).

Dans les expériences sur des plaquettes solides caractérisées par de minces réseaux de phyllosilicates, les couches continues de phases minérales faibles peuvent être consommées lors d’un cisaillement important (déplacement > 12 mm). À ce stade, la déformation est accueillie par une combinaison de cataclase des phases minérales fortes et de glissement le long des phyllosilicates. Cela coïncide avec une phase de durcissement à la déformation avec une augmentation du frottement d’environ 0,1 ou plus13.

La majorité des expériences de déformation de la roche, visant à caractériser les propriétés de frottement des failles tectoniques, sont réalisées sur des couches de roche millimétriques composées de poudres obtenues par concassage et tamisage de roches de faille naturelles24,27 ou sur des roches de faille prédécoupées34. Ces types d’expériences sont fondamentaux pour caractériser les propriétés de frottement des failles où la déformation se produit sur des gouges de faille35 ou le long de plans de glissement aigus de déformation localisée36. Pour les failles riches en phyllosilicates, un faible frottement et donc une faiblesse de faille sont liés à l’interconnectivité des réseaux riches en phyllosilicates, qui se manifeste sur le terrain par de multiples zones de glissement principales anastomosantes. Cela indique que même une petite quantité de phyllosilicates peut induire un affaiblissement significatif des défauts si leur interconnectivité est très élevée37,38. Par conséquent, l’objectif final de nos expériences de laboratoire sur des plaquettes solides est de préserver la continuité naturelle des couches riches en phyllosilicate lors des tests de frottement.

D’autres expériences de laboratoire sur des mélanges en poudre de phases minérales fortes et faibles ont documenté l’affaiblissement des défauts avec l’ajout des phases faibles18,19,20,21,22. Il a été observé que des quantités de 40 à 50% de phyllosilicates induisent une réduction significative du frottement car pendant le cisaillement, ils deviennent interconnectés. Cela suggère que pour de grands pourcentages de phyllosilicates (c’est-à-dire > 40%), les expériences sur des plaquettes ou des poudres sont similaires25.

Une compilation d’essais de frottement effectués sur un grand nombre de roches de faille naturelles riches en phyllosilicates, plaquettes ou matériaux en poudre avec des pourcentages de phyllosilicates > 40%, dans un large éventail de conditions expérimentales, montre que le frottement est de l’ordre de 0,1-0,330. Cela implique qu’un nombre important de failles de la croûte terrestre sont faibles.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous prions de bien vouleurer Marco Albano d’avoir fourni la vidéo traitant du microscope optique et du SEM et de Domenico Mannetta pour la procédure de coupe de roche. Cette recherche a été soutenue par l’ERC Grant GLASS n° 259256 et TECTONIC n° 835012. Cette contribution a été grandement améliorée par les commentaires de trois critiques anonymes et par les suggestions de production éditoriale sur la vidéo.

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

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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).
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