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Environment

フィロケイ酸塩高層断層の摩擦特性における織物の役割

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

その場所での形状でせせられたフィロシリケートリッチな断層 の 摩擦は、粉末等価物の摩擦よりも有意に低い。

Abstract

テクトニック断層の摩擦特性を特徴付けるために使用される多くの岩石変形実験は、粉末断層岩または裸の岩面で行われます。これらの実験は、粒状鉱物相の摩擦特性を文書化し、高摩擦を特徴とする地殻断層の証拠を提供するための基礎的なものである。しかし、彼らは完全にフィロシリケートが豊富な断層の摩擦特性をキャプチャすることはできません。

自然断層の多くの研究は、連続的な葉に分布するフィロシリケートとの強い鉱物の置き換えを促進する流体支援反応軟化を文書化しています。これらの葉織物が断層の摩擦特性にどのように影響するかを研究するには:1)自然断層から葉状のフィロシリケートが豊富な岩石を採取した。2)断層岩サンプルを切断して、厚さ0.8〜1.2cmの固体ウエハーと5cmx5cmの面積を得る。3)粉砕とふるいにかけると、同じサンプルの葉を破壊することによって得られる 、その際 の形状と粉末で、その中でシアリング固体ウエハの両方に摩擦試験を行いました。4)ポスト実験岩サンプルから微小構造研究のためのサンプルを回収;5)光学顕微鏡、走査、透過電子顕微鏡を用いて微細構造解析を行った。

機械的データは、よく発達した葉を持つ固体サンプルが、粉末化された同等物と比較して大幅に低い摩擦を示すことを示しています。マイクロ構造とナノ構造研究は、低摩擦がフィロケイ酸塩で構成される葉の表面に沿って滑り落ちるのを示しています。同じ岩石が粉末化されると、摺動が破砕、粒の回転、移動および関連拡張によって収容されるため、摩擦強度が高くなる。摩擦試験は、葉状の断層岩が、フィロケイ酸塩が岩石総体積のごく一部しか構成していなくても摩擦が低い可能性があることを示しており、かなりの数の地殻断層が弱いことを示唆している。

Introduction

この手順の全体的な目的は、 その場所 での形状でせよく塗られた、無傷のフィロシリケートが多い断層の摩擦特性をテストし、それらの摩擦が同じ材料の粉末に対して行われた実験から得られた摩擦より有意に低いことを示すことです。

多くの地質学的研究は、テクトニック断層の長期進化の間に流体支援反応軟化を文書化している。軟化は、石英、電解石、方解石、ドロミテ、ピロセン、弱いフィロケイ酸塩1、2、3、4、5、6、7、8、9、10のような強い鉱物の置換によって生じる。この弱体化は穀物スケールに由来し、主に潤滑の形態を生成するために一緒に作用するフィロケイ酸塩の毛細に沿って、非常に低い摩擦で、滑走によるものである。粒径から、断層の弱体化は、フィロシリケートが豊富なゾーン11の相互接続性を介して断層帯全体に伝達される。相互接続されたフィロケイ酸フォリアに沿って滑る摩擦の役割を捉えるために、自然断層岩サンプルの無傷の固体ウエハーは、岩石変形実験12、13、14の間にそれらのその中の形状にせん断されている。実験の最後に、試験サンプルに関する微構造研究が行われ、フィロシリケート・フォリアエに沿って摩擦滑りによって効果的に変形が収容されているかどうかを確認しました。

断層岩の破砕とふるい分けから得られた粉末状の材料に対して行われた従来の摩擦試験と比較して、無傷のウエハーでの実験は、流体支援反応軟化によって形成された相互接続されたフィロシリケートリッチ層に沿って摩擦摺動を捕捉することができる。実際、粉末調製の過程で、断層岩の破砕およびふるい分けは、フィロケイ酸塩層の接続性を破壊し、材料が実験室でせよみられると、連続的なフィロケイ酸の地平線の欠如は、主に穀物粉砕、回転および平行移動からなる変形を好む高い摩擦をもたらす。

固体ウエハーに関する実験は、特にフィロシリケートのパーセントが40%15<場合、同じ岩石タイプから得られた粉末状物質の実験と比較して有意に低い摩擦を示す。フィロケイ酸塩の豊富さの増加に伴い、粉状物質の試験においても摩擦の減少が文書化されており、この場合、大きなフィロケイ酸塩は実験断層16、17、18、18、19、20、21、22全体を通じて弱い鉱物相の相互接続を促進するのに十分である。あるいは、相互接続された弱層上の摩擦摺動をシミュレートするために、100%弱鉱物相23、24、25からなる粉末に対して他のタイプの摩擦試験が行われている。

岩層によって促進される幾何的な断層の弱体化は高温での変形実験で、したがって、延性リソスフェアの代表であり、長年にわたって26年にわたってよく知られている。ここで示した手順から得られた結果は、フィロケイ酸生地が、ソイラゲン上部地殻内に含まれる多数の断層に対しても障害の弱体化を促進することを示している。

Protocol

1. ロックサンプルコレクション 自然のフィロケイ酸塩が豊富な断層の露出がよく露出した露頭で、実験のための代表的な岩石サンプルを収集する適切な露出(断層線を含む平面に沿ってよく保存された断層岩)を選択します。数ミリメートル以下の葉間隔を持つ断層岩を選択するように注意してください。これは、摩擦実験中にシアで作られる厚さ1.5cmまでの長方形のウエハーで、フィロケイ酸塩の地平線を捕獲するために行われます。 ハンマーとチゼルを使用して、約10cm x 10cmの面積と3cm以上の厚さの断層岩サンプルを得る。 現場で観察された運動指標(例えば、滑らせん、葉、ドラッグフォールドなど)に基づいて、岩石サンプルのせん断感をマークします。注:サンプルの面積は10 cm x 10 cmより小さくすることができますが、実験装置の強制ブロックの寸法である5 cm x 5 cmより大きくなければなりません。注意:葉の岩のサンプルは非常に難しいので、収集後に、いくつかのテープやプラスチックフィルムでサンプルを包むことが有用である可能性があります。収集されたサンプルは風化によって変更されないため、これらの岩石が石化深度の断層岩を表す必要があります。 2. 二重直接せん断構成における摩擦実験のサンプル調製 岩石サンプルをカットして、岩変形装置の強制ブロックに合う長方形のウエハーを得る。これは通常、2つのステップで達成されます:最初のステップでは、標準の実験室のこぎりを使用して、強制ブロックよりもわずかに大きい岩石サンプルを得ます。第二に、高精度の回転翼または手研ぎを使用して、面積5cm x 5cm、厚さ0.8〜1.2cmのウェハを形作ります(図1、左)。標準的な二重直接せん断試験では、同じ岩石の2つのウェーハが1回の実験を行う必要があります。切断およびシェーピングの手順では、サンプルに含まれる天然のフィロシリケート豊富なせん断面が強制ブロックの表面に平行に維持されるようにします。これは、葉がウエハーの5cm x 5cm面に平行であることを意味します。 ディスクミルを使用して、無傷のサンプルのカットから残りの材料を粉砕し、材料をふるいにかけると、粒径<125μmの粉末を得る(図1、右)。 5 cm×5 cmの公称摩擦接触面積を持つステンレス鋼の強制ブロックに2つの同一のウエハを取り付け、対称的な二重直接せん断構成を構成するために中央の強制ブロックとそれらを組み立てる。注:サンプル上の機械によって課されるせん断感が、ウエハに記録され、ポイント1.3でマークされた自然なせん断感と一致することが重要です。 粉末を使用して、厚さ約5mm、面積5cm x 5cm2の2つの同一の岩層を構築します。これらの粉末岩サンプルの場合、自然葉は、ディスクミルでのサンプル調製手順によって破壊されます。粉末材料で構成される均一で再現性のある岩層を得るために、正確なレベリングジグを使用してください。対称二重直接せん断アセンブリを作成します。 3. 摩擦実験 二軸装置27において、28は、水平サーボ制御油圧ピストンを使用して、岩石試料に一定の正常応力を加え、維持する。 垂直サーボ制御油圧ピストンを介して、一定の変位率(通常10 μm/s)でせん断応力を適用します。注: 荷重は、ラムとサンプル アセンブリの間に配置された 2 つのひずみゲージ荷重セル(精度 0.03 kN)を使用して測定されます。水平および垂直変位は、LVDT(線形可変差動トランスデューサ)によって測定され、0.1μmの精度で、ラム27,28の負荷フレームおよび上側で参照される。 初期歪み硬化によってすべての実験を特徴付け、弾性負荷時にせん断応力が急速に増加し、降伏点の前に、摩擦応力の定常状態値でせん断が続きます。 4. 実験後のサンプル収集 摩擦試験の終わりに、実験断層を慎重に抽出する。ゴムバンドまたは粘着テープは、変形した岩石の完全性を維持するために、負荷除去の前にサンプルに適用することができます。 エポキシ樹脂を岩石試料に含浸させる。粉末実験で可能な場合は、真空含浸を避け、樹脂のサンプルへの強制的な流れによる元の微細構造への損傷を防ぎます。 実験せん断方向に平行にこれらの岩石サンプルをカットします。実験せん断方向を追跡するには、いくつかの方法があります。私たちの二重直接せん断構成では、ガウジ層と接触するスチールスライディングブロックの表面は、ガウジとスチールの間の界面でスリップを避け、ガウジ内のせん断変形を確実にするために、高さ0.8mmの溝と間隔1mmで加工されているため、実験では剪断方向が溝に対して垂直です。 微小構造研究のためのカットから薄いセクションを構築します。 5. 微小構造解析 光学顕微鏡で調査し、バルク断層ゾーンの微細構造を特徴付けます。 主な変形過程を調べるには、走査型電子顕微鏡(SEM)を使用します。 ナノスケールでの変形過程の詳細を得るために透過型電子顕微鏡(TEM)を使用します。マイクロ構造解析の実行方法の詳細については、前の出版物4,5,6,7,8,9,10,29.

Representative Results

通常の応力とせん断応力の図では、固体葉と粉末の両方のサンプルが脆性破壊エンベロープと一致する線に沿ってプロットするが、固体ウエハースは粉末状の類似体30よりも摩擦値が有意に低い。例えば、タルクが豊富な葉の特定の場合、各正常応力における葉断層岩は、それらから作られた粉末よりも0.2〜0.3低い摩擦係数を有する(図2 および図12)。低い摩擦は、葉状の固体ウエハーの摺動面が既存のフィロケイ酸塩が豊富な葉に沿って起こることを示す試験された岩石の微構造研究によって説明される。TEM画像は、スリップが主に層間剥離に関連する(001)容易な滑りによって収容されることを示している。これに対し、粉末状材料からの実験的な微細構造は、粒径の縮小と局在化によって有意な変形が収容されることを示している。 無傷の断層岩とその粉末の葉のウエハーは同一の鉱物学的組成を有するが、葉状サンプルは粉末状の類似体よりも著しく低い摩擦を示す。微小構造研究は、葉断層岩の摩擦(すなわち、欠陥の弱さ)が、サンプル調製ステップ(2.2-2.4)がそれらを破壊するので、粉末サンプルに存在しない既存の天然のフィロケイ酸塩が豊富な表面の再活性化によるものであることを示している。 図1:試験された断層岩の代表的な画像:固体葉と粉末材料。(左)矢印でマークされた自然の葉に平行にせん断された固体葉のサンプル。(右)固体葉の岩を粉砕し、ふるいにかけた粉末。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図2:同じ材料(タルク豊かな葉)で摩擦試験を行い、固体の葉のサンプルと粉末状の岩石を用いた。 各データセットは、脆性の破壊エンベロープと一致する線に沿ってプロットされますが、固体葉の岩石は、それぞれ粉末状の類似体、摩擦、μ = 0.3、μ = 0.57よりも大幅に低い摩擦によって特徴付けられます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図3: 自然と実験室の再活性化葉 左の写真では、カルサイト31の周りのシグモイドのクラストを持つ自然タルク豊かな葉の例。右の画像は、ウエハー32の摩擦試験の最後に同じ葉を示しています。摩擦試験中に、ほとんどのスリップは、フィロシリケート層に沿って摩擦摺動によって起こり、元の微細構造が保存されることに注意してください。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

重要な点は、この手順では、低い滑り速度(0.01 μm/s <対100μm/s)での実験で測定される定常断層摩擦強度を特徴付<ということです。摩擦の測定された低い値は、長期的な流体助成反応軟化および葉の発達1、4、5、6、7、8、9、10、11、12、30に起因するフィロシリケートリッチな欠陥の弱点を示す。この低い摩擦強度は、定常状態で、または地震サイクルの地震前段階で断層強度を評価するプロキシとして使用することができます。したがって、高い滑り速度(すなわち、> 10cm/s)で起こり、温度上昇33によって誘導される重要な動的弱化機構は、我々の分析では考慮されない。

プロトコルの重要な手順は、サンプルの収集と準備に関して行われます。フィロシリケートは(001)基底面に垂直な方向(すなわち、葉に垂直な方向)の非常に低い引張強度を特徴とするので、フィールド内のハンマーとノミの作業中、または実験室での手粉砕機で、かなり頻繁に岩石サンプルが崩壊し、成形プロセスが再開する必要があります。したがって、厳密に実験を実行し、忍耐を持って自分自身を武装するために必要なものよりも多くのサンプルを収集することを強くお勧めします。

機械と微小構造データを統合する前に、自然断層岩に沿って観察されたフィロシリケートリッチフォリアエに沿って摩擦摺動が実験室で再現されることを確認することが重要である、または言い換えれば、自然断層岩の微細構造は、ウエハの剪断から得られたものと類似している(図3)。

フィロシリケートの薄いネットワークを特徴とする固体ウェーハの実験では、弱い鉱物相の連続層を有意な剪断(変位>12mm)の間に消費することができる。この段階では、変形は、強い鉱物相のカタクラシスと、フィロシリケートに沿って滑る組み合わせによって収容される。これは、約0.1以上の13の摩擦の増加と共に歪み硬化の相と一致する。

地層断層の摩擦特性の特性の特徴付けを目的とした岩石変形実験の大部分は、自然断層岩24、27またはプレカットされた断層岩を粉砕してふるいにかけることによって得られる粉末によって構成されるミリメートル岩層に対して行われる。これらのタイプの実験は、断層ガウジ35上で変形が起こる断層の摩擦特性を特徴付ける基本であるか、または局在化変形36の鋭い滑り平面に沿って起こる。フィロケイ酸塩が豊富な断層の場合、低摩擦およびそれゆえに断層の弱さは、フィロケイ酸塩が豊富なネットワークの相互接続性に関連しており、この分野では複数の吻合主スリップゾーンによって現れる。これは、少量のフィロケイ酸塩でさえ、その相互接続性が非常に高い37、38であれば、著しい障害の弱体化を誘発する可能性があることを示している。そこで、固体ウエハーに関する実験室実験の最終目標は、摩擦試験中に、フィロシリケートが豊富な層の自然な連続性を維持することです。

強く、弱いミネラル相の粉末混合物に関する他の実験室実験は、弱相18、19、20、21、22を添加して欠陥の弱体化を文書化した。フィロシリケートの40〜50%の量は、剪断中に相互接続されるため、摩擦の大幅な減少を誘発することが観察されています。これは、フィロケイ酸塩の大部分(すなわち、>40%)について、ウエハースまたは粉末の実験が類似していることを示唆している25。

フィロシリケート、ウエハーまたはフィロケイ酸塩を有する粉末材料が豊富な多数の自然断層岩に対して実施された摩擦試験の集成は、幅広い実験条件下で、40%>、摩擦が0.1〜0.330の範囲であることを示している。これは、かなりの数の地殻断層が弱いということを意味します。

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

マルコ・アルバノが、光学顕微鏡とSEMとドメニコ・マネッタを扱うビデオを岩の切断手順に提供してくれたことを認めます。この研究は、ERCグラントガラスn°259256とテクトニックn°835012によってサポートされています。この貢献は、3人の匿名のレビュー担当者のコメントとビデオ上の編集制作の提案によって大幅に改善されました。

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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References

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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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