El objetivo general de este procedimiento es probar las propiedades de fricción de los filosilicatos, con fallas cizalladas en la geometría in situ, y demostrar que esta fricción es significativamente menor que la fricción de los polvos obtenidos por el mismo material. Durante la evolución a largo plazo de las fallas tectónicas, numerosos estudios geológicos han documentado el ablandamiento de la reacción asistida por fluidos, que promueve el reemplazo de minerales fuertes y granulares con filosilicatos. En particular, los procesos de fracturación a lo largo de las fallas aumentan la permeabilidad y facilitan la afluencia de fluidos hidratados en la zona de falla.
Los fluidos reaccionan con la roca de grano fino, promoviendo la disolución de los minerales fuertes como el cuarzo, el feldespato y la calcita. Se convierten en filosilicatos platy y forman microestructuras foliadas, como la que aquí se presenta en verde. El deslizamiento a lo largo de los filosilicatos de la microescala se transmite a toda la zona de falla a través de la interconectividad de las zonas de cizallamiento ricas en filosilicatos.
Este es un ejemplo de la continuidad de la zona de cizallamiento de filosilicato a escala de afloramiento, que se puede extender hasta fallas a escala de corteza con espesores de más de 100 metros. A lo largo de una falla rica en filosilicato como esta, la cizalladura tónica ha producido la alineación de filosilicato, produciendo esta anisotropía de roca de falla. Para tener en cuenta el papel de la anisotropía en las propiedades de fricción de la falla, tenemos que recolectar las muestras de roca correctas.
Para ello, tenemos que recoger una muestra representativa de roca, y dentro del afloramiento, seleccionamos una porción donde los indicadores cinemáticos se conservan mejor. Y luego usamos un cincel y un martillo para recoger la muestra de roca. Una vez que se ha recolectado la muestra de roca, marcamos la sensación de cizalladura y luego llevamos la muestra de roca al laboratorio para el experimento.
Con este procedimiento, cortamos las muestras de roca para obtener obleas que se ajusten a los bloques de forzamiento del aparato de deformación de rocas. Esto generalmente se logra en 2 pasos. En el primer paso, utilizamos una sierra de laboratorio estándar para obtener muestras de roca que son ligeramente más grandes que los bloques de forzamiento.
En segundo lugar, utilizamos una cuchilla rotativa de alta precisión, o una amoladora manual, para dar forma a las obleas de modo que sean de 5 por 5 centímetros de área y aproximadamente 1 centímetro de grosor. A partir del mismo trozo de roca, utilizamos un molino de disco para obtener un material granular que se tamiza para alcanzar el tamaño de grano deseado, generalmente por debajo de 125 micras. Las 2 obleas idénticas se montan en bloques de forzamiento de acero inoxidable con un área de contacto de fricción nominal de 5 por 5 centímetros, y luego se ensamblan con un bloque de forzamiento central para componer la configuración simétrica de doble directo.
De la misma manera, los polvos se utilizan para construir 2 capas idénticas cuyo grosor es de aproximadamente 5 milímetros, y cuyo área de contacto es de 5 por 5 centímetros. Estos se utilizan para componer una configuración similar de cizalla de doble directo. En este punto, la configuración de cizallamiento de doble directo se coloca dentro de nuestro aparato biaxial, y estamos listos para comenzar el experimento de fricción.
Utilizamos un pistón hidráulico servocontrolado para aplicar y mantener una tensión normal constante en la muestra de roca. Luego, al avanzar el ariete vertical, aplicamos tensión de cizallamiento a velocidad de deslizamiento constante; generalmente es de 10 micras por segundo. La mayoría de los experimentos se caracterizan por un endurecimiento inicial de la deformación, donde la tensión de cizallamiento aumenta rápidamente durante la carga elástica, seguida de la tensión de cizallamiento en estado estacionario.
La relación tensión de cizallamiento a tensión normal nos da el coeficiente de fricción. Al final de la prueba de fricción, extraemos cuidadosamente la falla experimental, impregnamos la muestra de roca con resina epoxi, cortamos la muestra en una dirección paralela a la sensación de cizallamiento y construimos secciones delgadas a partir de los cortes para estudios microestructurales. Utilizamos un microscopio óptico para caracterizar las fallas a granel en la microestructura.
Analizamos microestructuras con un microscopio electrónico de barrido para investigar los principales procesos de deformación. Utilizamos un microscopio electrónico de transmisión para obtener detalles sobre los procesos de deformación hasta la nanoescala. En un diagrama de tensión normal versus tensión de cizallamiento, tanto las obleas sólidas foliadas como las muestras de polvo se trazan a lo largo de la línea, de acuerdo con una envoltura de falla frágil.
Pero las obleas sólidas tienen un valor de fricción significativamente más bajo que los análogos en polvo. En particular, los polvos muestran una fricción de aproximadamente 0,6, mientras que las rocas foliadas tienen valores significativamente más bajos. En cada tensión normal, las rocas foliadas tienen un coeficiente de fricción que es de 0,2 a 0,3 unidades más bajo que los polvos hechos de ellas.
Los estudios microestructurales de las rocas probadas muestran que la baja fricción de las obleas sólidas se debe al deslizamiento a lo largo de las foliaciones preexistentes de grano muy fino hechas de filosilicatos. Las imágenes TEM muestran que el deslizamiento se acomoda principalmente mediante fracturación, traslación y rotación a lo largo de los filosilicatos, con una delaminación frecuente de la capa interna. En contraste, los experimentos realizados en polvos indican que gran parte de la deformación ocurre a lo largo de las zonas afectadas por la fracturación y la reducción del tamaño del grano.
Esto da como resultado valores más altos de fricción. Este es un resumen de las propiedades de fricción de las fallas tectónicas naturales ricas en filosilicato de diferentes entornos tectónicos. Los datos muestran que la fricción está en el rango de 0.1 a 0.3, y esta fricción es significativamente menor que el valor tradicional de fricción de Byerlee obtenido de una amplia gama de tipos de rocas, que están hechas predominantemente de fases minerales granulares.
Para resumir, nuestros experimentos de fricción muestran que las muestras foliadas son extremadamente débiles en comparación con sus equivalentes en polvo. Los estudios microestructurales indican que la menor fricción, o en otras palabras, la debilidad por fallas de las rocas de falla foliadas se debe a la reactivación de las superficies naturales preexistentes ricas en filosilicato. Estas superficies están ausentes en las muestras en polvo ya que la etapa de preparación de la muestra las destruye.
Nuestras pruebas de fricción en muestras sólidas foliadas muestran que la baja fricción, y por lo tanto la debilidad de la falla, puede ocurrir en los casos en que las fases minerales débiles constituyen solo un pequeño porcentaje de la roca de falla total, lo que implica que un número significativo de fallas de la corteza son débiles.
