O objetivo geral deste procedimento é testar as propriedades friccionais dos filossilicatos, com falhas que se enlouquecam na geometria in situ, e mostrar que esse atrito é significativamente menor do que o atrito dos pós obtidos pelo mesmo material. Durante a evolução a longo prazo das falhas tectônicas, inúmeros estudos geológicos têm documentado a reação assistida por fluidos, que promove a substituição de minerais fortes e granulares por filossilicatos. Em particular, processos de fraturamento ao longo de falhas aumentam a permeabilidade e facilitam o fluxo de fluidos hidráulicos para a zona de falha.
Os fluidos reagem com rochas finas, promovendo a dissolução dos minerais fortes como quartzo, feldspato e calcita. Eles se tornam filossilicatos platy e formam microestruturas foliadas, como a apresentada aqui em verde. Deslize ao longo dos filossilicatos da microescala é transmitido para toda a zona de falha através da interconectividade das zonas de cisalhamento ricas em filosilicato.
Este é um exemplo da continuidade da zona de cissilício na escala de afloramento, que pode ser estendida até falhas de escala crosta com espessuras de mais de 100 metros. Ao longo da falha rica em filosilicato como esta, a cisalhamento tônica produziu o alinhamento filossilicato, produzindo essa anisotropia de rocha de falha. Para levar em conta o papel da anisotropia nas propriedades friccionais da falha, temos que coletar as amostras de rocha certas.
Para isso, temos que coletar uma amostra de rocha representativa, e dentro do afloramento, selecionamos uma parte onde os indicadores cinemáticos são melhor preservados. E então usamos um cinzel e um martelo para coletar a amostra de rocha. Uma vez que a amostra de rocha tenha sido coletada, marcamos a sensação de tesoura, e então trazemos a amostra de rocha para o laboratório para o experimento.
Com este procedimento, cortamos as amostras de rocha para obter wafers que se encaixam nos blocos de força do aparelho de deformação de rochas. Isso geralmente é alcançado em 2 passos. No primeiro passo, usamos uma serra de laboratório padrão para obter amostras de rocha ligeiramente maiores que os blocos de força.
Em segundo lugar, usamos uma lâmina rotativa de alta precisão, ou um moedor de mão, para moldar os wafers para que eles estejam 5 por 5 centímetros de área, e cerca de 1 centímetro de espessura. A partir do mesmo pedaço de rocha, usamos um moinho de disco para obter um material granular que é peneirado para atingir o tamanho de grão desejado, geralmente abaixo de 125 mícrons. Os 2 wafers idênticos são montados em blocos de força de aço inoxidável com uma área nominal de atrito de contato de 5 por 5 centímetros, e depois são montados com um bloco central de força para compor a configuração simétrica e dupla diretamente.
Da mesma forma, os pós são usados para construir 2 camadas idênticas cuja espessura é de cerca de 5 milímetros, e cuja área de contato é de 5 por 5 centímetros. Estes são então usados para compor uma configuração de tesoura dupla-direta semelhante. Neste ponto, a configuração de tesoura dupla-direta está posicionada dentro do nosso aparelho biaxial, e estamos prontos para iniciar o experimento de atrito.
Usamos um pistão hidráulico controlado por servo para aplicar e manter um estresse normal constante na amostra de rocha. Em seguida, avançando o carneiro vertical, aplicamos o estresse da tesoura em velocidade de deslizamento constante;geralmente é de 10 mícrons por segundo. A maioria dos experimentos são caracterizados por um endurecimento inicial da tensão, onde o estresse da tesoura aumenta rapidamente durante o carregamento elástico, seguido pelo estresse da tesoura em estado estável.
O estresse da tesoura para a relação de estresse normal nos dá o coeficiente de atrito. No final do teste de atrito, extraímos cuidadosamente a falha experimental, impregnamos a amostra de rocha com resina epóxi, cortamos a amostra em direção paralela ao sentido de tesoura, e construímos seções finas dos cortes para estudos microestruturais. Usamos um microscópio óptico para caracterizar as falhas a granel na microestrutura.
Analisamos microestruturas com um microscópio eletrônico de varredura para investigar os principais processos de deformação. Usamos um microscópio eletrônico de transmissão para obter detalhes sobre processos de deformação até a nanoescala. Em um diagrama de estresse normal versus estresse de corte, tanto os wafers foliados sólidos quanto as amostras de pó se misturam ao longo da linha, consistente com um envelope de falha frágil.
Mas os wafers sólidos têm um valor de atrito significativamente menor do que os análogos em pó. Em particular, os pós mostram atrito de cerca de 0,6, enquanto as rochas foliadas têm valores significativamente mais baixos. A cada estresse normal, as rochas foliadas têm um coeficiente de atrito que é 0,2 a 0,3 unidades menor do que os pós feitos a partir delas.
Estudos microestruturais das rochas testadas mostram que o baixo atrito dos wafers sólidos deve-se ao deslizamento ao longo das foliações pré-existentes, muito finas feitas de filossilicatos. As imagens TEM mostram que o deslizamento é acomodado principalmente por fratura, tradução e rotação ao longo dos filossilicatos, com delaminação frequente da camada interna. Em contraste, experimentos realizados em pós indicam que grande parte da deformação ocorre ao longo de zonas efetuadas por fraturas e redução do tamanho do grão.
Isso resulta em valores mais elevados de atrito. Este é um resumo das propriedades de atrito de falhas tectônicas naturais, ricas em filosilicato de diferentes ambientes tectônicos. Os dados mostram que o atrito está na faixa de 0,1 a 0,3, e esse atrito é significativamente menor do que o valor tradicional byerlee de atrito obtido a partir de uma grande gama de tipos de rochas, que são predominantemente feitos de fases minerais granulares.
Resumindo, nossos experimentos de atrito mostram que as amostras foliadas são extremamente fracas em comparação com seus equivalentes em pó. Estudos microestruturais indicam que o menor atrito, ou seja, a fraqueza da falha das rochas de falha foliada deve-se à reativação das superfícies ricas em filosilicatos naturais pré-existentes. Estas superfícies estão ausentes nas amostras em pó desde que a etapa de preparação da amostra as destrói.
Nossos testes de atrito em amostras físcionais sólidas mostram que o baixo atrito e, portanto, a fraqueza da falha, podem ocorrer nos casos em que fases minerais fracas constituem apenas uma pequena porcentagem da rocha total de falha, implicando que um número significativo de falhas crostas são fracas.
