O atrito das falhas ricas em filossilicatos em sua geometria in situ é significativamente menor do que o atrito de seus equivalentes em pó.
Muitos experimentos de deformação de rochas usados para caracterizar as propriedades de atrito de falhas tectônicas são realizados em rochas de falha em pó ou em superfícies de rochas nuas. Esses experimentos têm sido fundamentais para documentar as propriedades de atrito das fases minerais granulares e fornecer evidências de falhas crostas caracterizadas por alto atrito. No entanto, eles não podem capturar inteiramente as propriedades de atrito de falhas ricas em filossilicatos.
Inúmeros estudos de falhas naturais têm documentado a reação assistida por fluidos promovendo a substituição de minerais fortes por filossilicatos que são distribuídos em foliações contínuas. Estudar como esses tecidos foliados influenciam as propriedades de atrito das falhas que temos: 1) coletados rochas ricas em filosilicato de falhas naturais; 2) corte as amostras de rocha de falha para obter wafers sólidos de 0,8-1,2 cm de espessura e 5 cm x 5 cm de área com a foliação paralela à face de 5x5cm do wafer; 3) realizou testes de atrito em ambos os wafers sólidos em sua geometria in situ e pós, obtidos por esmagamento e peneiração e, portanto, interrompendo a foliação das mesmas amostras; 4) recuperou as amostras para estudos microestruturais a partir de amostras de rocha pós-experimento; e 5) realizaram análises microestruturais por meio de microscopia óptica, escaneamento e microscopia eletrônica de transmissão.
Dados mecânicos mostram que as amostras sólidas com folhagem bem desenvolvida mostram atrito significativamente menor em comparação com seus equivalentes em pó. Estudos micro e nanoestrusos demonstram que o baixo atrito resulta do deslizamento ao longo das superfícies de foliação compostas de filossilicatos. Quando as mesmas rochas são em pó, a resistência de fricção é alta, pois o deslizamento é acomodado por fratura, rotação de grãos, tradução e dilatação associada. Testes de atrito indicam que as rochas de falha foliada podem ter baixo atrito mesmo quando os filossilicatos constituem apenas uma pequena porcentagem do volume total da rocha, implicando que um número significativo de falhas crostas são fracas.
O objetivo geral deste procedimento é testar as propriedades de atrito de falhas intactas de filosilicatos ensacados em sua geometria in situ e mostrar que seu atrito é significativamente menor do que o atrito obtido a partir de experimentos realizados em pós do mesmo material.
Numerosos estudos geológicos têm documentado a reação assistida por fluidos durante a evolução a longo prazo das falhas tectônicas. O amolecimento ocorre pela substituição de minerais fortes, como quartzo, feldspato, calcita, dolomita, olivina, piroxeno, com filossilicatos fracos1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Esse enfraquecimento tem origem na escala de grãos e se deve principalmente ao deslizamento, em atrito muito baixo, ao longo da folia fillossilica que atuam em conjunto para produzir uma forma de lubrificação. A partir da escala de grãos, o enfraquecimento da falha é transmitido para toda a zona de falha através da interconectividade das zonas ricas em filosilicato11. Para capturar o papel do deslizamento de friccional ao longo da folia filossilicada interconectada, wafers sólidos intactos de amostras naturais de rocha de falha foram cisados em sua geometria in situ durante experimentos de deformação derochas 12,13,14. Ao final do experimento, estudos microestruturais sobre as amostras testadas foram realizados para verificar se efetivamente a deformação foi acomodada pelo deslizamento de friccional ao longo da folia filossilicato.
Em comparação com os testes de atrito tradicionais realizados em materiais em pó obtidos a partir do esmagamento e peneiração da rocha de falha, experimentos em wafers intactos podem capturar o deslizamento de friccional ao longo das camadas interconectadas ricas em fillossilicatos formadas por amaciamento de reação assistida por fluidos. De fato, durante o processo de preparação em pó, o esmagamento e peneiração da rocha de falha interrompe a conectividade das camadas filossilicadas e quando o material é cisado em laboratório, a ausência de horizontes filossilicatos contínuos favorece uma deformação consistindo principalmente de esmagamento de grãos, rotação e tradução resultando em alto atrito.
Experimentos em bolachas sólidas mostram um atrito significativamente menor em comparação com experimentos em material em pó obtidos do mesmo tipo de rocha, particularmente quando a porcentagem dos filossilicatos é < 40%15. Com o aumento da abundância de filosilicatos, foi documentada uma redução do atrito também para testes em material em pó, uma vez que neste caso o grande volume de filossilicatos é suficiente para promover a interconectividade das fases minerais fracas através de toda a falha experimental16,17,18,19,20,21,22. Alternativamente, para simular o deslizamento de fricção nas camadas fracas interconectadas, outros tipos de testes de atrito foram realizados em pós compostos de fases minerais 100% fracas23,24,25.
O enfraquecimento geométrico de falhas promovido pelo tecido rochoso em experimentos de deformação em alta temperatura e, portanto, representativo da litosfera dúctil, é bem conhecido há muitos anos26. Os resultados obtidos a partir do procedimento aqui apresentado indicam que o tecido filossilicato promove o enfraquecimento da falha também para um grande número de falhas contidas na crosta superior sismogênica.
Um ponto importante que vale a pena mencionar é que com este procedimento caracterizamos a força de atrito de falha de estado constante, medida com experimentos em velocidades de baixo deslizamento (ou seja, 0,01 μm/s < v < 100 μm/s). Os baixos valores de atrito medidos demonstram a fraqueza das falhas ricas em filosilicato resultantes da reação assistida de longo prazo e do desenvolvimento da foliação1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Essa baixa força de atrito pode ser usada como proxy para avaliar a força da falha em estado estável ou durante as fases pré-sísmicas do ciclo sísmico. Portanto, os importantes mecanismos dinâmicos de enfraquecimento que ocorrem em altas velocidades de deslizamento (ou seja, > 10 cm/s) e induzidos pelo aumento da temperatura33 não são considerados em nossa análise.
Os passos críticos do protocolo consideram a coleta e preparação da amostra. Uma vez que os filossilicatos são caracterizados por uma força de tração muito baixa na direção perpendicular aos (001) planos basais (ou seja, na direção perpendicular à folhação), durante o trabalho com o martelo e o cinzel no campo ou com o moedor de mão no laboratório, muitas vezes as amostras de rocha se desfazem e o processo de modelagem tem que reiniciar. Portanto, é fortemente recomendável coletar mais amostras do que aquelas estritamente necessárias para executar experimentos e armar-se com paciência.
Antes de integrar a mecânica com dados microestruturais, é importante verificar se o deslizamento de fricção ao longo da foliae rica em filosilicato observada ao longo de rochas de falha natural é reproduzido em laboratório, ou em outras palavras, que a microestrutura natural da rocha de falha é semelhante à obtida a partir da cisalhamento do wafer(Figura 3).
Em experimentos com wafers sólidos caracterizados por redes finas de filossilicatos, as camadas contínuas de fases minerais fracas podem ser consumidas durante cisalhamento significativo (deslocamento > 12 mm). Nesta fase, a deformação é acomodada por uma combinação de cataclase das fases minerais fortes e deslizando ao longo dos filossilicatos. Isso coincide com uma fase de endurecimento da tensão com um aumento no atrito de cerca de 0,1 ou mais13.
A maioria dos experimentos de deformação de rochas, destinados à caracterização das propriedades de atrito das falhas tectônicas, são realizados em camadas de rocha milimétricas que são compostas por pós obtidos por rochas de esmagamento e peneiração naturais24,27 ou em rochas de falha que são pré-cortadas34. Esses tipos de experimentos são fundamentais para caracterizar as propriedades de atrito das falhas onde a deformação ocorre em gouges de falha35 ou ao longo de planos de deslizamento acentuados de deformação localizada36. Pois falhas ricas em filossilicatos, baixo atrito e, portanto, fraqueza por falhas estão relacionadas à interconectividade das redes ricas em filosilicato, que no campo se manifesta por múltiplas zonas de deslizamento principais anastomos. Isso indica que mesmo uma pequena quantidade de filossilicatos pode induzir um enfraquecimento significativo da falha se sua interconectividade for muito alta37,38. Portanto, o objetivo final de nossos experimentos laboratoriais em wafers sólidos é preservar a continuidade natural das camadas ricas em filosilicato durante os testes de atrito.
Outros experimentos laboratoriais em misturas em pó de fases minerais fortes e fracas documentaram o enfraquecimento da falha com a adição das fases fracas18,19,20,21,22. Observou-se que quantidades de 40-50% dos filossilicatos induzem uma redução significativa no atrito porque durante a cisalhamento eles se tornam interligados. Isso sugere que, para grandes percentuais de filossilicatos (ou seja, > 40%), os experimentos com wafers ou pós são semelhantesa 25.
Uma compilação de testes de atrito realizados em um grande número de rochas de falha natural ricas em filossilicatos, wafers ou material em pó com percentuais filossilicatos > 40%, sob uma ampla gama de condições experimentais mostram que o atrito está na faixa de 0,1-0,330. Isso implica que um número significativo de falhas crostas são fracas.
The authors have nothing to disclose.
Nós gentilmente reconhecemos Marco Albano por fornecer o vídeo que lida com microscópio óptico e SEM e Domenico Mannetta para o procedimento de corte de rocha. Esta pesquisa foi apoiada pelo ERC Grant GLASS n° 259256 e TECTONIC n° 835012. Essa contribuição foi muito melhorada pelos comentários de três revisores anônimos e pelas sugestões de produção editorial no vídeo.
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 |