Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы проверить фрикционные свойства филлосиликатов с дефектами, сстянутыми в геометрии in-situ, и показать, что это трение значительно ниже, чем трение порошков, полученных тем же материалом. В ходе долгосрочной эволюции тектонических разломов многочисленные геологические исследования зафиксировали смягчение реакции с помощью жидкости, что способствует замене сильных и зернистых минералов филлосиликатами. В частности, процессы ГРП вдоль разломов повышают проницаемость, облегчают приток водных флюидов в зону разлома.
Жидкости вступают в реакцию с мелкозернистой породой, способствуя растворению сильных минералов, таких как кварц, полевой шпат и кальцит. Они становятся плати-филлосиликатами и образуют лиственные микроструктуры, подобные той, что представлена здесь в зеленом цвете. Скольжение по филлосиликатам из микромасштаба передается на всю зону разлома через взаимосвязь богатых филлосиликатами зон сдвига.
Это пример непрерывности филлосиликатной зоны сдвига в масштабе обнажения, которая может быть расширена до разломов в масштабе земной коры толщиной более 100 метров. Вдоль богатого филлосиликатами разлома, подобного этому, тоническая стрижка произвела выравнивание филлосиликатов, производя анизотропию этой породы разлома. Чтобы учесть роль анизотропии в фрикционных свойствах разлома, мы должны собрать правильные образцы горных пород.
Для этого мы должны собрать репрезентативный образец породы, и в пределах обнажения мы выбираем участок, где кинематические показатели лучше всего сохраняются. А затем мы используем зубилом и молотком для сбора образца породы. После того, как образец породы был собран, мы отмечаем чувство сдвига, а затем приносим образец породы в лабораторию для эксперимента.
С помощью этой процедуры мы разрезаем образцы породы для получения пластин, которые подходят к блокам форсирования аппарата деформации породы. Обычно это достигается в 2 этапа. На первом этапе мы используем стандартную лабораторную пилу для получения образцов горных пород, которые немного больше, чем форсировальные блоки.
Во-вторых, мы используем высокоточное вращающееся лезвие или ручную шлифовальную машину, чтобы сформировать пластины, чтобы они были 5 на 5 сантиметров в области и около 1 сантиметра в толщину. Из того же куска породы мы используем дисковую мельницу для получения гранулированного материала, который просеивается для достижения желаемого размера зерна, обычно ниже 125 микрон. 2 одинаковые пластины монтируются на форсирующие блоки из нержавеющей стали с номинальной площадью контакта трения 5 на 5 сантиметров, а затем собираются с центральным форсирующим блоком для составления симметричной, двойной прямой конфигурации.
Таким же образом порошки используются для построения 2 одинаковых слоев, толщина которых составляет около 5 миллиметров, и площадь контакта которых составляет 5 на 5 сантиметров. Затем они используются для составления аналогичной конфигурации двойного прямого сдвига. На этом этапе конфигурация двойного прямого сдвига позиционируется внутри нашего двухосного аппарата, и мы готовы начать эксперимент по трению.
Мы используем гидравлический поршень с сервоуправляемым управлением для применения и поддержания постоянного нормального напряжения на образце породы. Затем, продвигая вертикальный таран, мы применяем напряжение сдвига при постоянной скорости скольжения; обычно оно составляет 10 микрон в секунду. Большинство экспериментов характеризуются начальным деформацией упления, при котором напряжение сдвига быстро увеличивается во время упругой нагрузки, за которым следует напряжение сдвига в установившемся состоянии.
Отношение напряжения сдвига к нормальному напряжению дает нам коэффициент трения. В конце испытания на трение мы тщательно извлекаем экспериментальный дефект, пропищаем образец породы эпоксидной смолой, разрезаем образец в направлении, параллельном ощущению сдвига, и строим тонкие срезы из разрезов для микроструктурных исследований. Мы используем оптический микроскоп для характеристики объемных неисправностей на микроструктуре.
Мы анализируем микроструктуры с помощью сканирующего электронного микроскопа для исследования основных процессов деформации. Мы используем просвечиваю электронный микроскоп для получения подробной информации о процессах деформации вплоть до наноразмера. На диаграмме нормального напряжения по сравнению с напряжением сдвига как твердые листовые пластины, так и образцы порошка строятся вдоль линии, что согласуется с хрупкой оболочкой разрушения.
Но твердые пластины имеют значение трения значительно ниже, чем порошкообразные аналоги. В частности, порошки показывают трение около 0,6, тогда как листовые породы имеют значительно более низкие значения. При каждом нормальном напряжении листовые породы имеют коэффициент трения, который на 0,2-0,3 единицы ниже, чем порошки, изготовленные из них.
Микроструктурные исследования испытуемых пород показывают, что низкое трение твердых пластин обусловлено скольжением по ранее существовавшим, очень мелкозернистым листокам, изготовленным из филлосиликатов. Изображения ТЕА показывают, что скольжение в основном приспосабливается путем разрыва, трансляции и вращения вдоль филлосиликатов с частым расслоением внутреннего слоя. Напротив, эксперименты, проведенные на порошках, показывают, что большая часть деформации происходит вдоль зон, вызванных разрывом и уменьшением размера зерна.
Это приводит к более высоким значениям трения. Это краткое изложение фрикционных свойств природных, богатых филлосиликатами тектонических разломов из различных тектонических сред. Данные показывают, что трение находится в диапазоне от 0,1 до 0,3, и это трение значительно ниже, чем традиционное значение трения Байерли, полученное из большой гаммы типов пород, которые преимущественно состоят из гранулированных минеральных фаз.
Подводя итог, наши эксперименты по трению показывают, что листовые образцы чрезвычайно слабы по сравнению с их порошкообразными эквивалентами. Микроструктурные исследования показывают, что более низкое трение, или, другими словами, слабость разлома листовых пород разлома обусловлена реактивацией ранее существовавшими естественными поверхностями, богатыми филлосиликатами. Эти поверхности отсутствуют в порошкообразных образцах, так как этап подготовки образца разрушает их.
Наши испытания на трение твердых листовых образцов показывают, что низкое трение и, следовательно, слабость разлома могут возникать в тех случаях, когда слабые минеральные фазы составляют лишь небольшой процент от общего объема разломов, подразумевая, что значительное число разломов земной коры являются слабыми.
