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Environment

El papel de la tela en las propiedades de fricción de las fallas tectónicas ricas en filosilicato

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

La fricción de las fallas ricas en filosilicatos cizalladas en su geometría in situ es significativamente menor que la fricción de sus equivalentes en polvo.

Abstract

Muchos experimentos de deformación de rocas utilizados para caracterizar las propiedades de fricción de las fallas tectónicas se realizan en rocas de falla en polvo o en superficies de roca desnuda. Estos experimentos han sido fundamentales para documentar las propiedades de fricción de las fases minerales granulares y proporcionar evidencia de fallas en la corteza caracterizadas por una alta fricción. Sin embargo, no pueden capturar por completo las propiedades de fricción de las fallas ricas en filosilicatos.

Numerosos estudios de fallas naturales han documentado el ablandamiento de la reacción asistida por fluidos que promueve el reemplazo de minerales fuertes con filosilicatos que se distribuyen en foliaciones continuas. Para estudiar cómo estos tejidos foliados influyen en las propiedades friccionales de las fallas tenemos: 1) rocas foliadas ricas en filosilicato recolectadas de fallas naturales; 2) cortar las muestras de roca de falla para obtener obleas sólidas de 0,8-1,2 cm de espesor y 5 cm x 5 cm de área con la foliación paralela a la cara de 5×5 cm de la oblea; 3) realizaron pruebas de fricción tanto en obleas sólidas cizalladas en su geometría in situ como en polvos, obtenidas por trituración y tamizado y, por lo tanto, interrumpiendo la foliación de las mismas muestras; 4) recuperó las muestras para estudios microestructurales de las muestras de roca posteriores al experimento; y 5) realizó análisis microestructurales mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y transmisión.

Los datos mecánicos muestran que las muestras sólidas con foliación bien desarrollada muestran una fricción significativamente menor en comparación con sus equivalentes en polvo. Los estudios micro y nanoestructurales demuestran que la baja fricción resulta del deslizamiento a lo largo de las superficies de foliación compuestas de filosilicatos. Cuando las mismas rocas están pulverizadas, la resistencia a la fricción es alta, porque el deslizamiento se acomoda mediante fracturación, rotación de grano, traslación y dilatación asociada. Las pruebas de fricción indican que las rocas de falla foliadas pueden tener baja fricción incluso cuando los filosilicatos constituyen solo un pequeño porcentaje del volumen total de roca, lo que implica que un número significativo de fallas de la corteza son débiles.

Introduction

El objetivo general de este procedimiento es probar las propiedades de fricción de las fallas intactas ricas en filosilicatos cizalladas en su geometría in situ y demostrar que su fricción es significativamente menor que la fricción obtenida de experimentos realizados en polvos del mismo material.

Numerosos estudios geológicos han documentado el ablandamiento de la reacción asistida por fluidos durante la evolución a largo plazo de las fallas tectónicas. El ablandamiento ocurre por el reemplazo de minerales fuertes, como cuarzo, feldespato, calcita, dolomita, olivino, piroxeno, con filosilicatos débiles1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Este debilitamiento se origina a escala de grano y se debe principalmente al deslizamiento, a muy baja fricción, a lo largo de las folias de filosilicato que actúan juntas para producir una forma de lubricación. Desde la escala de grano, el debilitamiento de la falla se transmite a toda la zona de falla a través de la interconectividad de las zonas ricas en filosilicato11. Para capturar el papel del deslizamiento por fricción a lo largo de folias de filosilicato interconectadas, se han esquilado obleas sólidas intactas de muestras naturales de roca de falla en su geometría in situ durante los experimentos de deformación de rocas12,13,14. Al final del experimento, se han realizado estudios microestructurales en las muestras analizadas para comprobar si efectivamente la deformación se acomodó mediante deslizamiento por fricción a lo largo de las folias de filosilicato.

En comparación con las pruebas de fricción tradicionales realizadas en materiales en polvo obtenidos al triturar y tamizar la roca de falla, los experimentos en obleas intactas pueden capturar el deslizamiento por fricción a lo largo de las capas interconectadas ricas en filosilicato formadas por el ablandamiento por reacción asistida por fluidos. De hecho, durante el proceso de preparación del polvo, el aplastamiento y tamizado de la roca defectuosa interrumpe la conectividad de las capas de filosilicato y cuando el material se cizalla en el laboratorio, la ausencia de horizontes de filosilicato continuos favorece una deformación que consiste principalmente en la trituración, rotación y traslación del grano que resulta en una alta fricción.

Los experimentos en obleas sólidas muestran una fricción significativamente menor en comparación con los experimentos con material en polvo obtenido del mismo tipo de roca, particularmente cuando el porcentaje de filosilicatos es < 40%15. Con el aumento de la abundancia de filosilicato, se ha documentado una reducción de la fricción también para las pruebas en material en polvo, ya que en este caso el gran volumen de filosilicatos es suficiente para promover la interconectividad de las fases minerales débiles a través de toda la falla experimental16,17,18,19,20,21,22. Alternativamente, para simular el deslizamiento por fricción en las capas débiles interconectadas, se han realizado otros tipos de pruebas de fricción en polvos compuestos de fases minerales 100% débiles23,24,25.

El debilitamiento de fallas geométricas promovido por el tejido rocoso en experimentos de deformación a alta temperatura, y por lo tanto representativo de la litosfera dúctil, es bien conocido desde hace muchos años26. Los resultados obtenidos del procedimiento presentado aquí indican que el tejido de filosilicato promueve el debilitamiento de fallas también para un gran número de fallas contenidas dentro de la corteza superior sismogénica.

Protocol

1. Recolección de muestras de roca En un afloramiento bien expuesto de una falla natural rica en filosilicato, seleccione la exposición correcta (roca de falla bien conservada a lo largo de un plano que contiene línea de falla) donde recolectar una muestra de roca representativa para los experimentos. Tenga cuidado de seleccionar una roca de falla con un espaciado de foliación no mayor de unos pocos milímetros. Esto se hace para capturar horizontes de filosilicato en obleas rectangulares de hasta 1,5 cm de espesor que se cizallarán durante los experimentos de fricción. Utilice un martillo y un cincel para obtener una muestra de roca de falla con un área de aproximadamente 10 cm x 10 cm y un grosor de más de 3 cm. Marque el sentido de cizallamiento en la muestra de roca, basado en indicadores cinemáticos observados en el campo (por ejemplo, slickensides, foliaciones, pliegues de arrastre, etc.).NOTA: El área de la muestra puede ser menor de 10 cm x 10 cm, pero debe ser mayor de 5 cm x 5 cm que es la dimensión de los bloques de forzamiento del aparato experimental.PRECAUCIÓN: Las muestras de roca foliada son muy friables y por lo tanto después de la recolección puede ser útil envolver la muestra con un poco de cinta o una película de plástico. Es obligatorio que las muestras recogidas no se alteren por la intemperie y por lo tanto que estas rocas representen la roca de la falla a profundidad sismogénica. 2. Preparación de muestras para experimentos de fricción en la configuración de doble cizalla directa Cortar la muestra de roca para obtener obleas rectangulares que se ajusten a los bloques de forzamiento del aparato de deformación de rocas. Esto generalmente se logra en dos pasos: en el primer paso, use una sierra de laboratorio estándar para obtener una muestra de roca que sea ligeramente más grande que los bloques de forzamiento; en segundo lugar, utilice una cuchilla rotativa de alta precisión o una amoladora manual para dar forma a obleas de 5 cm x 5 cm de área y un grosor de 0,8-1,2 cm(Figura 1,izquierda). Para una prueba estándar de cizalla de doble dirección, se requerirán dos obleas de la misma roca para realizar un solo experimento. Durante el procedimiento de corte y conformado, asegúrese de que los planos de corte naturales ricos en filosilicatos contenidos en la muestra se mantengan paralelos a la superficie de los bloques de forzamiento. Esto significa que la foliación es paralela a la cara de 5 cm x 5 cm de la oblea. Utilice un molino de discos para triturar el material restante del corte de las muestras intactas y tamizar el material para obtener polvos con un tamaño de grano <125 μm(Figura 1,derecha). Monte dos obleas idénticas en bloques de forzamiento de acero inoxidable con un área de contacto de fricción nominal de 5 cm × 5 cm y luego enséblelas con el bloque de forzamiento central para componer la configuración simétrica de doble cizallamiento directo.NOTA: Es importante que el sentido de cizallamiento impuesto por la máquina a la muestra coincida con el sentido natural de cizallamiento registrado en la oblea y marcado en el punto 1.3. Utilice los polvos para construir dos capas de roca idénticas con un grosor de aproximadamente 5 mm y un área de 5 cm x 5 cm2. Para estas muestras de roca en polvo, la foliación natural se destruye mediante el procedimiento de preparación de muestras con un molino de disco. Utilice una plantilla de nivelación precisa para obtener una capa de roca uniforme y reproducible compuesta de material en polvo. Componga el conjunto simétrico de doble cizalla directa. 3. Experimentos de fricción En un aparatobiaxial 27,28 utilizar el pistón hidráulico servocontrolado horizontal para aplicar y mantener una tensión normal constante a la muestra de roca. Aplique tensión de cizallamiento a una velocidad de desplazamiento constante, generalmente 10 μm / s, a través del pistón hidráulico servocontrolado vertical.NOTA: Las cargas se miden a través de dos células de carga de galgas extensométricas (precisión 0,03 kN) colocadas entre el ariete y el conjunto de muestras. Los desplazamientos horizontales y verticales se miden mediante LVDT (transductores diferenciales variables lineales), con una precisión de 0,1 μm, referenciados en el marco de carga y en la parte superior del ariete27,28. Caracterizar todos los experimentos mediante un endurecimiento por deformación inicial, donde la tensión de cizallamiento aumenta rápidamente durante la carga elástica, antes de un punto de elasticidad, seguido de cizallamiento a un valor de estado estacionario de tensión por fricción. 4. Recolección de muestras post-experimentales Al final de la prueba de fricción, extraiga cuidadosamente la falla experimental. Se pueden aplicar bandas elásticas o cinta adhesiva a la muestra antes de la eliminación de la carga para mantener la integridad de las rocas deformadas. Impregnar con resina epoxi las muestras de roca. Si es posible para experimentos de polvo, evite la impregnación al vacío para evitar daños a la microestructura original por el flujo forzado de la resina en la muestra. Corte estas muestras de roca paralelamente a la dirección de corte experimental. Hay varias maneras de rastrear la dirección de cizalla experimental. En nuestra configuración de doble cizallamiento directo, las superficies de los bloques deslizantes de acero en contacto con las capas de gubias se mecanizan con ranuras de 0,8 mm de altura y se espacian 1 mm para evitar el deslizamiento en la interfaz entre las gubias y el acero y para garantizar la deformación por cizallamiento dentro de las gubias, por lo tanto, en nuestros experimentos la dirección de cizallamiento es perpendicular a las ranuras. Construya secciones delgadas a partir de los cortes para estudios microestructurales. 5. Análisis microestructural Investigue con un microscopio óptico para caracterizar la microestructura de la zona de falla a granel. Utilice un microscopio electrónico de barrido (SEM) para investigar los principales procesos de deformación. Utilice un microscopio electrónico de transmisión (TEM) para obtener detalles sobre los procesos de deformación a nanoescala. Los detalles sobre cómo realizar análisis microestructurales se pueden encontrar en publicaciones anteriores4,5,6,7,8,9,10,29.

Representative Results

En un diagrama de tensión normal vs. tensión de cizallamiento, tanto las muestras sólidas foliadas como las en polvo trazan a lo largo de una línea consistente con una envoltura de falla frágil, pero las obleas sólidas tienen valores de fricción significativamente más bajos que sus análogos en polvo30. Por ejemplo, en el caso específico de una foliación rica en talco, las rocas de falla foliadas en cada tensión normal tienen un coeficiente de fricción que es 0.2-0.3 más bajo que los polvos hechos de ellas(Figura 2 y12). La menor fricción se explica por los estudios microestructurales de las rocas probadas que muestran que las superficies deslizantes de las obleas sólidas foliadas se producen a lo largo de la foliación rica en filosilicato preexistente. Las imágenes TEM muestran que el deslizamiento se adapta principalmente a (001) deslizamiento fácil asociado con la delaminación entre capas. En contraste, las microestructuras experimentales del material en polvo muestran que la deformación significativa se acomoda mediante la reducción y localización del tamaño del grano. Aunque las obleas foliadas de rocas de falla intactas y sus polvos tienen composiciones mineralógicas idénticas, las muestras foliadas muestran una fricción que es significativamente menor que sus análogos en polvo. Los estudios microestructurales indican que la menor fricción (es decir, debilidad por fallas) de las rocas de falla foliadas se debe a la reactivación de las superficies naturales preexistentes ricas en filosilicato que están ausentes en las muestras en polvo desde que los pasos de preparación de la muestra (2.2 – 2.4) las interrumpen. Figura 1: Imágenes representativas de las rocas de falla probadas: material sólido foliado vs. material en polvo. (izquierda) Muestras foliadas sólidas esquiladas paralelamente a la foliación natural marcada por las flechas. (derecha) Polvos obtenidos por trituración y tamizado de la roca sólida foliada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Pruebas de fricción en el mismo material (foliación rica en talco) pero muestras foliadas sólidas vs. roca en polvo. Cada conjunto de datos traza a lo largo de una línea consistente con una envoltura de falla frágil, pero las rocas foliadas sólidas se caracterizan por una fricción significativamente menor que su análogo en polvo, fricción, μ = 0.3 y μ = 0.57 respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Foliación reactivada natural vs. laboratorio. En la imagen de la izquierda un ejemplo de una foliación natural rica en talco con clastos sigmoidales circundantes de calcita31. La imagen de la derecha muestra la misma foliación al final de una prueba de fricción en obleas32. Tenga en cuenta que durante la prueba de fricción la mayor parte del deslizamiento se produce por deslizamiento por fricción a lo largo de las capas de filosilicato y que la microestructura original se conserva. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Un punto importante que vale la pena mencionar es que con este procedimiento caracterizamos la fuerza de fricción de falla en estado estacionario, medida con experimentos a bajas velocidades de deslizamiento (es decir, 0.01 μm / s < v < 100 μm / s). Los bajos valores de fricción medidos demuestran la debilidad de las fallas ricas en filosilicato resultantes del ablandamiento de la reacción asistida por fluidos a largo plazo y el desarrollo de la foliación1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30. Esta baja resistencia a la fricción se puede utilizar como un proxy para evaluar la resistencia de la falla en estado estacionario o durante las fases presísmicas del ciclo sísmico. Por lo tanto, los importantes mecanismos de debilitamiento dinámico que ocurren a altas velocidades de deslizamiento (es decir, > 10 cm / s) e inducidos por el aumento de la temperatura33 no se consideran en nuestro análisis.

Los pasos críticos en el protocolo se refieren a la recolección y preparación de muestras. Dado que los filosilicatos se caracterizan por una resistencia a la tracción muy baja en la dirección perpendicular a los planos basales (001) (es decir, en la dirección perpendicular a la foliación), durante el trabajo con el martillo y el cincel en el campo o con el molinillo manual en el laboratorio, muy a menudo las muestras de roca se desmoronan y el proceso de conformación tiene que reiniciarse. Por lo tanto, se recomienda encarecidamente recolectar más muestras de las estrictamente requeridas para realizar experimentos y armarse de paciencia.

Antes de integrar datos mecánicos con microestructurales, es importante comprobar que el deslizamiento por fricción a lo largo de las folias ricas en filosilicato observadas a lo largo de las rocas de falla natural se reproduzca en el laboratorio, o en otras palabras, que la microestructura de roca de falla natural sea similar a la obtenida al cizallamiento de la oblea (Figura 3).

En experimentos con obleas sólidas caracterizadas por redes delgadas de filosilicatos, las capas continuas de fases minerales débiles se pueden consumir durante un cizallamiento significativo (desplazamiento > 12 mm). En esta etapa, la deformación se acomoda mediante una combinación de cataclasis de las fases minerales fuertes y deslizamiento a lo largo de los filosilicatos. Esto coincide con una fase de endurecimiento por deformación con un aumento de la fricción de aproximadamente 0,1 o más13.

La mayoría de los experimentos de deformación de rocas, dirigidos a la caracterización de las propiedades de fricción de fallas tectónicas, se realizan sobre capas de roca milimétricas que están compuestas por polvos obtenidos por trituración y tamizado de rocas de falla natural24,27 o sobre rocas de falla que están precortadas34. Este tipo de experimentos son fundamentales para caracterizar las propiedades friccionales de las fallas donde la deformación se produce en las gubias de falla35 o a lo largo de planos de deslizamiento agudo de deformación localizada36. Para las fallas ricas en filosilicatos, la baja fricción y, por lo tanto, la debilidad de la falla está relacionada con la interconectividad de las redes ricas en filosilicato, que en el campo se manifiesta por múltiples zonas de deslizamiento principales anastomosing. Esto indica que incluso una pequeña cantidad de filosilicatos puede inducir un debilitamiento significativo de la falla si su interconectividad es muy alta37,38. Por lo tanto, el objetivo final de nuestros experimentos de laboratorio en obleas sólidas es preservar la continuidad natural de las capas ricas en filosilicato durante las pruebas de fricción.

Otros experimentos de laboratorio en mezclas en polvo de fases minerales fuertes y débiles han documentado el debilitamiento de fallas con la adición de las fases débiles18,19,20,21,22. Se ha observado que cantidades del 40-50% de los filosilicatos inducen una reducción significativa de la fricción porque durante el cizallamiento se interconectan. Esto sugiere que para grandes porcentajes de filosilicatos (es decir, > del 40%), los experimentos con obleas o polvos son similares25.

Una recopilación de pruebas de fricción realizadas en un gran número de rocas de falla natural ricas en filosilicatos, obleas o material en polvo con porcentajes de filosilicatos > 40%, bajo una amplia gama de condiciones experimentales muestran que la fricción está en el rango de 0.1-0.330. Esto implica que un número significativo de fallas de la corteza son débiles.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos amablemente a Marco Albano por proporcionar el video que trata sobre el microscopio óptico y SEM y Domenico Mannetta para el procedimiento de corte de rocas. Esta investigación ha sido apoyada por la ERC Grant GLASS n° 259256 y TECTONIC n° 835012. Esta contribución fue mejorada en gran medida por los comentarios de tres revisores anónimos y por las sugerencias de producción editorial en el 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
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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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