Die Reibung von phyllosilicates-reichen Fehlern, die in ihrer In-situ-Geometrie geschoren werden, ist deutlich geringer als die Reibung ihrer pulverförmigen Äquivalente.
Viele Gesteinsverformungsexperimente zur Charakterisierung der Reibungseigenschaften tektonischer Verwerfungen werden an pulverförmigen Verwerfungsgesteinen oder auf blanken Gesteinsoberflächen durchgeführt. Diese Experimente waren von grundlegender Bedeutung, um die Reibungseigenschaften granularer Mineralphasen zu dokumentieren und Hinweise auf Krustenfehler zu liefern, die durch hohe Reibung gekennzeichnet sind. Sie können jedoch die Reibungseigenschaften von Fehlern, die reich an Phyllosilisaten sind, nicht vollständig erfassen.
Zahlreiche Studien über natürliche Fehler haben eine flüssigkeitsunterstützte Reaktionserweichung dokumentiert, die den Ersatz starker Mineralien durch Phyllosilicate fördert, die in kontinuierlichen Foliationen verteilt sind. Um zu untersuchen, wie diese foliierten Gewebe die Reibungseigenschaften von Verwerfungen beeinflussen, haben wir: 1) foliierte phyllosilikatreiche Gesteine aus natürlichen Verwerfungen gesammelt; 2) Schneiden Sie die Verwerfungsgesteinsproben, um feste Wafer mit einer Dicke von 0,8-1,2 cm und einer Fläche von 5 cm x 5 cm mit der Foliation parallel zur 5×5 cm großen Oberfläche des Wafers zu erhalten; 3) Durchführung von Reibungstests sowohl an festen Wafern, die in ihrer In-situ-Geometrie geschoren wurden, als auch an Pulvern, die durch Zerkleinern und Sieben erhalten wurden und somit die Blattbildung derselben Proben unterbrechen; 4) die Proben für mikrostrukturelle Untersuchungen aus den Gesteinsproben nach dem Versuch gewonnen haben; und 5) führte mikrostrukturelle Analysen mittels optischer Mikroskopie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie durch.
Mechanische Daten zeigen, dass die festen Proben mit gut entwickelter Foliation im Vergleich zu ihren pulverförmigen Äquivalenten eine deutlich geringere Reibung aufweisen. Mikro- und Nanostrukturstudien zeigen, dass eine geringe Reibung durch Gleiten entlang der Blattflächen aus Phyllosiliziaten entsteht. Wenn die gleichen Gesteine pulveriert werden, ist die Reibungsfestigkeit hoch, da das Gleiten durch Bruch, Kornrotation, Translation und damit verbundene Dilatation aufgenommen wird. Reibungstests deuten darauf hin, dass foliierte Verwerfungsgesteine eine geringe Reibung aufweisen können, selbst wenn Phyllosilicate nur einen kleinen Prozentsatz des gesamten Gesteinsvolumens ausmachen, was bedeutet, dass eine signifikante Anzahl von Krustenverwerfungen schwach ist.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Reibungseigenschaften intakter phyllosilikatreicher Fehler, die in ihrer In-situ-Geometrie geschoren wurden, zu testen und zu zeigen, dass ihre Reibung signifikant geringer ist als die Reibung, die aus Experimenten an Pulvern desselben Materials gewonnen wird.
Zahlreiche geologische Studien haben eine flüssigkeitsunterstützte Reaktionserweichung während der langfristigen Entwicklung tektonischer Verwerfungen dokumentiert. Die Erweichung erfolgt durch den Ersatz starker Mineralien wie Quarz, Feldspat, Calcit, Dolomit, Olivin, Pyroxen durch schwache Phyllosilicate1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Diese Schwächung hat ihren Ursprung auf der Kornskala und ist hauptsächlich auf das Gleiten bei sehr geringer Reibung entlang der Phyllosilikatfolien zurückzuführen, die zusammen eine Form der Schmierung erzeugen. Von der Kornskala wird die Fehlerschwächung über die Interkonnektivität der phyllosilikatreichen Zonen11auf die gesamte Fehlerzone übertragen. Um die Rolle des Reibungsgleitens entlang miteinander verbundener Phyllosilikat-Folien zu erfassen, wurden intakte feste Wafer natürlicher Verwerfungsgesteinsproben während der Gesteinsverformungsexperimente in ihrer In-situ-Geometrie geschoren12,13,14. Am Ende des Experiments wurden mikrostrukturelle Studien an den getesteten Proben durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Verformung effektiv durch Reibungsgleiten entlang der Phyllosilikat-Folien berücksichtigt wurde.
Im Vergleich zu herkömmlichen Reibungstests, die an pulverförmigen Materialien durchgeführt werden, die durch Zerkleinern und Sieben des Verwerfungsgesteins gewonnen werden, können Experimente an intakten Wafern das Reibungsgleiten entlang der miteinander verbundenen phyllosilikatreichen Schichten erfassen, die durch flüssigkeitsunterstützte Reaktionserweichung gebildet werden. Tatsächlich stört während des Prozesses der Pulveraufbereitung das Zerkleinern und Sieben des Verwerfungsgesteins die Konnektivität der Phyllosilikatschichten, und wenn das Material im Labor geschoren wird, begünstigt das Fehlen kontinuierlicher Phyllosilikathorizonte eine Verformung, die hauptsächlich aus Kornzerkleinerung, Rotation und Translation besteht, was zu hoher Reibung führt.
Experimente an festen Wafern zeigen eine deutlich geringere Reibung im Vergleich zu Experimenten an pulverförmigem Material, das aus demselben Gesteinstyp gewonnen wird, insbesondere wenn der Prozentsatz der Phyllosilicate < 40%beträgt 15. Mit zunehmender Phyllosilikathäufigkeit wurde auch für Versuche an pulverförmigem Material eine Verringerung der Reibung dokumentiert, da in diesem Fall das große Volumen an Phyllosilikaten ausreicht, um die Interkonnektivität der schwachen Mineralphasen durch den gesamten Versuchsfehler16,17,18,19,20,21,22zu fördern . Alternativ wurden zur Simulation des Reibungsgleitens auf den miteinander verbundenen schwachen Schichten andere Arten von Reibungstests an Pulvern durchgeführt, die aus 100% schwachen Mineralphasenbestehen 23,24,25.
Die geometrische Verwerfungsschwächung, die durch Gesteinsgewebe in Verformungsexperimenten bei hohen Temperaturen gefördert wird und daher repräsentativ für die dukile Lithosphäre ist, ist seit vielen Jahren bekannt26. Die Ergebnisse des hier vorgestellten Verfahrens deuten darauf hin, dass Phyllosilikatgewebe die Fehlerschwächung auch bei einer großen Anzahl von Fehlern in der seismogenen oberen Kruste fördert.
Ein wichtiger erwähnenswerter Punkt ist, dass wir mit diesem Verfahren die stationäre Fehlerreibfestigkeit charakterisieren, gemessen mit Experimenten bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten (d.h. 0,01 μm/s < v < 100 μm/s). Die gemessenen niedrigen Reibungswerte zeigen die Schwäche von phyllosilikatreichen Fehlern, die sich aus der langfristigen flüssigkeitsgestützten Reaktionserweichung und Derolierungsentwicklungergeben 1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Diese geringe Reibungsfestigkeit kann als Proxy verwendet werden, um die Fehlerfestigkeit im stationären Zustand oder während der präseismischen Phasen des seismischen Zyklus zu bewerten. Daher werden die wichtigen dynamischen Schwächungsmechanismen, die bei hohen Gleitgeschwindigkeiten (d.h. > 10 cm/s) auftreten und durch Temperaturanstieg33 induziert werden, in unserer Analyse nicht berücksichtigt.
Die kritischen Schritte im Protokoll betrifft die Probenentnahme und -vorbereitung. Da sich Phyllosilicate durch eine sehr geringe Zugfestigkeit in Richtung senkrecht zu den (001) Basalebenen (d.h. in Richtung senkrecht zur Blattbildung) auszeichnen, fallen bei der Arbeit mit Hammer und Meißel im Feld oder mit dem Handschleifer im Labor nicht selten die Gesteinsproben auseinander und der Formgebungsprozess muss neu gestartet werden. Daher wird dringend empfohlen, mehr Proben zu sammeln, als unbedingt erforderlich sind, um Experimente durchzuführen und sich mit Geduld zu bewaffnen.
Vor der Integration mechanischer mit mikrostruktureller Daten ist es wichtig zu überprüfen, ob das Reibungsgleiten entlang der phyllosilikatreichen Blatte, die entlang natürlicher Verwerfungsgesteine beobachtet werden, im Labor reproduziert wird, oder mit anderen Worten, dass die natürliche Verwerfungsgesteinsmikrostruktur derjenigen ähnelt, die durch Scheren des Wafers erhalten wird (Abbildung 3).
In Experimenten an festen Wafern, die durch dünne Netzwerke von Phyllosilicates gekennzeichnet sind, können die kontinuierlichen Schichten schwacher Mineralphasen während signifikanter Scherung (Verdrängung > 12 mm) verbraucht werden. In diesem Stadium wird die Verformung durch eine Kombination aus Kataklasis der starken Mineralphasen und Gleiten entlang der Phyllosilicate berücksichtigt. Dies fällt mit einer Phase der Dehnungshärtung mit einer Erhöhung der Reibung von etwa 0,1 oder mehr13zusammen.
Die meisten Gesteinsverformungsexperimente, die auf die Charakterisierung der Reibungseigenschaften tektonischer Verwerfungen abzielen, werden an millimetrischen Gesteinsschichten durchgeführt, die aus Pulvern bestehen, die durch Zerkleinern und Sieben natürlicher Verwerfungsgesteine24,27 erhalten werden, oder auf Verwerfungsgesteinen, die vorgeschnitten sind34. Diese Art von Experimenten sind grundlegend, um die Reibungseigenschaften von Fehlern zu charakterisieren, bei denen die Verformung an Fehlerrillen35 oder entlang scharfer Gleitebenen lokalisierter Verformung36auftritt. Bei phyllosilikatreichen Fehlern hängt eine geringe Reibung und damit Fehlerschwäche mit der Interkonnektivität der phyllosilikatreichen Netzwerke zusammen, die sich im Feld durch mehrere anastomosierende Hauptschlupfzonen manifestiert. Dies deutet darauf hin, dass bereits eine kleine Menge von Phyllosilicaten eine signifikante Fehlerschwächung auslösen kann, wenn ihre Interkonnektivität sehr hoch ist37,38. Daher ist das Endziel unserer Laborexperimente an festen Wafern, die natürliche Kontinuität der phyllosilikatreichen Schichten bei Reibungstests zu erhalten.
Andere Laborexperimente an pulverförmigen Mischungen aus starken und schwachen Mineralphasen haben eine Fehlerschwächung durch Zugabe der schwachen Phasen18,19,20,21,22dokumentiert. Es wurde beobachtet, dass Mengen von 40-50% der Phyllosilicate eine signifikante Verringerung der Reibung induzieren, da sie während des Scherens miteinander verbunden werden. Dies deutet darauf hin, dass für große Prozentsätze von Phyllosilicates (d.h. > 40%) Experimente an Wafern oder Pulvern ähnlich sind25.
Eine Zusammenstellung von Reibungsversuchen, die an einer großen Anzahl von natürlichen Verwerfungsgesteinen durchgeführt wurden, die reich an Phyllosilicates, Wafern oder pulverförmigem Material mit Phyllosilikaratenanteilen > 40% sind, unter einer Vielzahl von experimentellen Bedingungen zeigen, dass die Reibung im Bereich von 0,1-0,330 liegt. Dies bedeutet, dass eine signifikante Anzahl von Krustenfehlern schwach ist.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Marco Albano für die Bereitstellung des Videos über optisches Mikroskop und REM und Domenico Mannetta für das Gesteinsschneiden. Diese Forschung wurde durch den ERC Grant GLASS n° 259256 und TECTONIC n° 835012 unterstützt. Dieser Beitrag wurde durch die Kommentare von drei anonymen Rezensenten und durch die redaktionellen Produktionsvorschläge zum Video stark verbessert.
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 |