تأثیر رطوبت بر رفتار شکلپذیر گچ مرطوب در مدلسازیهای فیزیکی، مطالعه موردی سامانه گسلهای راستالغز | ||
| پژوهشهای دانش زمین | ||
| دوره 15، شماره 2 - شماره پیاپی 58، 1403، صفحه 96-111 اصل مقاله (1.03 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/esrj.2024.104583 | ||
| نویسندگان | ||
| الهه مهدیخانلو؛ علی یساقی* ؛ محمد رضا نیکودل | ||
| گروه زمینشناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| مقدمه هدف از مدلسازیهای فیزیکی در زمینشناسی ساختاری بازسازی نحوه شکلگیری، توسعه و تکامل ساختارها در مقیاس آزمایشگاهی و با موادی شبیه به سنگهای پوسته است. خصوصیات فیزیکی - مکانیکی مواد مورد استفاده در این مدلسازی ها از اهمیت ویژهای برخوردار است؛ بهطوری که ویژگیهای این مواد باید مشابه ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی سنگهای پوسته بوده و بین مدل و طبیعت از لحاظ رئولوژیکی، ویسکوز و مقاومت اصطکاکی تناسب وجود داشته باشد. ماسه، گلرس، گچ و سیلیکون از جمله مواد مورد استفاده در مدلسازیهای فیزیکی هستند. پودر گچ ساختمانی یا پلاستر یا همیهیدرات نیز به صورت خشک و مرطوب (گچ کشته) در مدلسازیها استفاده شده است. در این مطالعه تأثیر رطوبت بر شکلپذیری گچ مرطوب از طریق مدلسازی فیزیکی ساختارهای سامانه گسلهای راستالغز بررسی شده است. این مطالعه همچنین درک مناسبی از ویژگیهای مکانیکی و رفتار گچ مرطوب با تغییرات درصد رطوبت فراهم مینماید. برای این منظور از گچ مرطوب به صورت کشته با رطوبتهای 320 %، 285% و 175% در این مدلسازی ها استفاده شده است. مواد و روشها در این مطالعه ابتدا حدود آتربرگ برای سنجش میزان رطوبت گچ مرطوب (یا کشته) انجام شده. براساس این معیار سه حد برای مقدار رطوبت موجود در خاک تعریف میشود که شامل حد انقباض، حد خمیری و حد روانی است. در این مطالعه به دلیل عدم استفاده از گچ مرطوب در محدوده رطوبت حد انقباض در مدلسازی فیزیکی، آزمایش تعیین حد انقباض انجام نشده است. در آزمایش سنجش حد خمیری، حداقل رطوبت لازم برای تبدیل خاک به خمیر اندازهگیری میشود. در این راستا چند گلوله خمیری تهیه شده از گچ مرطوب روی شیشهای قرار گرفته و با چرخش دست روی گچ، میلهای به قطر mm3 تهیه میشود. اگر ترکهایی بر روی خمیر ایجاد شد، رطوبت آن در حد خمیری است. برای تعیین حد روانی گچ مرطوب از دستگاه مخروط نفوذسنج استفاده شده است. آنگاه مدلسازی فیزیکی گسلخوردگی راستالغز با استفاده از گچ مرطوب با درصدهای متفاوت رطوبت صورت پذیرفته است. سه آزمایش مدلسازی فیزیکی سامانه گسل راستالغز در پیسنگ و بررسی اثر این حرکات بر پوشش رسوبی با استفاده از گچ کشته و با رطوبتهای متفاوت 320%، 285% و 175% انجام شده است. نتایج و بحث نتایج حاصل از مدلسازی سامانه گسلش راستالغز چپ بر در پی سنگ و اثر آن بر روی پوشش رسوبی با استفاده از گچ مرطوب نشان داد که غالب ساختارهای توسعه یافته در این آزمایش بر روی محل جابجایی دو صفحه متحرک قاعدهای (گسل پیسنگی) میباشند و نواحی دور از این محل متحمل دگرشکلی نشده است. با کاهش رطوبت از 320% به 175% فاصله شکستگیهای برشی ریدل همسو ازcm 3/0 به cm9/1 و طول آنها از cm 5/2 به حدود cm5/4 افزایش یافته و همچنین شکستگیهای برشی ریدل ناهمسو (آنتی ریدل) با تأخیر و با تحمل دگرشکلی بیشتر تشکیل شده است. این نتایج به دست آمده از توزیع و فراوانی شکستگیهای برشی به صورت کاهش تعداد شکستگیها، افزایش فاصله و طول شکستگیها و توسعه غیریکنواخت شکستگیها در نتیجه کاهش رطوبت، بهطور کیفی دلالت بر کاهش حد الاستیک گچ مرطوب در نتیجه کاهش رطوبت آن دارد. با کاهش رطوبت گچ کشته، علاوه بر ساختارهای معمول سامانه راستالغز، ساختار چینخوردگی و راندگی همراه نیز توسعه یافته است. تغییرات ساختاری مذکور در گچ مرطوب با درصدهای متفاوت رطوبت، شواهدی از شکلپذیر بودن این ماده را در محدوده رطوبت بین حد خمیری (96%) تا حد روانی (178%) نشان میدهد. این آزمایشها همچنین نتایج مطالعات قبلی مبنی بر رفتار شکنای گچ در رطوبتهای کمتر را تأیید مینماید. نتیجهگیری نتایج بدست آمده از این مطالعه در بررسی شکستگیهای برشی ریدل و چینخوردگیهای مرتبط با گسل در مدلسازی فیزیکی سامانه گسلش راستالغز نشان داد که وجود رطوبت در گچ مرطوب به میزان حد روانی موجب بروز رفتار شکلپذیری آن میشود. افزایش رطوبت بیش از این مقدار به دلیل کاهش نسبی چسبندگی و ویسکوزیته و افزایش فاصله مولکولها با کاهش رفتار شکلپذیری گچ مرطوب همراه بوده که این تغییرات با افزایش تعداد شکستگیهای برشی ریدل و کاهش توسعه چینخوردگیهای مرتبط با گسلش راندگی در آزمایشها همراه بوده است. این نتایج همچنین نشان داد که گچ مرطوب با رطوبتهای زیر حد خمیری (کمتر از 96%) رفتاری مشابه مواد شکنای شناخته شده مانند گچ خشک و ماسه است و بنابراین به عنوان ماده شکلپذیر برای استفاده در مدلسازیهای فیزیکی مناسب نمیباشد. در حالی که گچ مرطوب در رطوبتهای بین 96% تا 178% (حد خمیری تا حد روانی) رفتار شکلپذیر داشته و میتواند به عنوان ماده شکلپذیر در آزمایشهای مدلسازی فیزیکی مورد استفاده قرار گیرد. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| خصوصیات مکانیکی؛ شکلپذیری؛ گچ مرطوب؛ گسل راستالغز؛ مدلسازی فیزیکی | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| The effect of humidity on ductile behavior of wet plaster, in physical modelling, the case study of strike-slip faults system | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Elaheh Mehdikhanloo؛ Ali Yassaghi؛ MR Nikudel | ||
| Department of Geology, Faculty of Basic Science, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction The purpose of physical modeling in structural geology is to reconstruct the formation, development and evolution of structures on a laboratory scale with materials similar to crustal rocks. The physical-mechanical properties of the materials used in these modeling are of particular importance; So that the characteristics of these materials should be similar to the physical and mechanical characteristics of crustal rocks, and there should be a proportionality between the model and nature in terms of rheology, viscosity, and frictional resistance. Sand, mud-clay, gypsum and silicon are among the materials used in physical modeling. Gypsum powder, plaster, or hemi-hydrate in dry and wet form (killed gypsum) has also been used in modeling. In this study, the effect of humidity on viscous behavior of wet plaster in physical modelling of strike- slip fault system has been investigated. In these modellings wet plaster with 320%, 285% and 175% of humidity as a viscous material has been used. In determination of physical and mechanical (Atterberg limits) properties of wet plaster, the liquid limit of 178% and plastic limit of 96% was obtained. This study also provides data on behavior of wet plaster with changes in its humidity. Materials and Methods Atterberg measurements were first used to measure the water content of wet (or dead) plaster. Based on this criterion, three limits are defined for the amount of wetness in the material, which includes the shrinkage limit, the plastic limit, and the liquid limit. In this study, due to the non-use of wet plaster in the humidity range of the shrinkage limit in physical modeling, the shrinkage limit test was not performed. In the plastic limit test, the minimum moisture required to turn the soil into mud is measured. In this regard, some balls of mud prepared from wet plaster are placed on a glass and by rotating the hand on the plaster, a rod with a diameter of 3mm is prepared. If cracks on the mud is developed, its humidity is at the level of mud. To determine the liquid limit of wet plaster, the penetrator cone device was used. Then the physical modeling of strike-slip faulting has been done using wet plaster with different wetness percentages. Three tests of physical modeling of strike-slip fault system in the basement and investigation of the effect of these movements on the sedimentary cover have been carried out using wet plaster with different humidity levels of 320%, 285% and 175%. Results and Discussion The results of Physical modelling on strike- slip fault system shows that by decrease in humidity of wet plaster from 320% to 175%, the Riedel shear fractures distance is increased from 0.3cm to 1.9 cm and their lengths have increased from 2.5cm to 4.5cm. These results obtained from the distribution and frequency of shear fractures in the form of a decrease in the number of fractures, an increase in the distance and length of fractures, and the uneven development of fractures qualitatively indicate a decrease in the elastic limit of wet plaster because of the decrease on its humidity. Reduction on the humidity of the wet plaster resulted in development fault related folding in the modeling. The variations on the numbers, distance, type and lengths of shear fractures in wet plaster with different percent of humidity demonstrates that wet plaster acts as viscous behavior when its humidity is between plastic limit (96%) and liquid limit (178%). These experiments also confirm the results of previous studies on the brittle behavior of plaster at lower wettnes levels. Conclusion The results obtained from this study in the investigation of Riddle shear fractures and folds related to the fault in the physical modeling of the strike-slip fault system showed that the water content in wet plaster to the extent of the plastic limit causes its plasticity behavior. The increase of water content more than this amount due to the relative decrease of adhesion and viscosity is associated with the decrease in the plasticity behavior of wet plaster. These changes are associated with the increase in the number of Riddle shear fractures and the decrease in the development of folds related to the thrust fault has been accompanied in the experiments. This conclusion is in agreement with the former studies that documented the brittle behavior of plaster with lower humidity than the humidity of the plastic limit. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Mechanical properties, Ductility, Wet plaster, Strike-slip fault, Physical modelling | ||
| مراجع | ||
|
Abe, S., Van Gent, H. and Urai, J.L., 2011. DEM simulation of normal faults in cohesive materials: Tectonophysics, v. 512, p. 12-21. An, L.J., 1998. Development of fault discontinuities in shear experiments: Tectonophysics, v. 293, p. 45-59. Bahroudi, A. and Koyi, H.A., 2003. Effect of spatial distribution of Hormuz salt in deformation style in the Zagros fold-and-thrust belt: Ananalog modeling approach, Journal of the Geological Society, London, v. 160, p. 719-733, doi: 10.1144/0016-764902-135. Casas, A.M., Gapais, D., Nalpas, T., Besnard, K. and RomaÂn-Berdiel, T., 2001. Analogue models of transpressive systems: Journal of Structural Geology, v. 23, p. 733-743. Clifton, A.E., Schlischeb, R.W., Withjack, M.O. and Ackermann, R.V., 2000. Influence of rift obliquity on fault-population systematics, results of experimental clay models: Journal of Structural Geology, v. 22, p. 1491-1509. Cotton, J.T. and Koyi, H.A., 2000. Modeling of thrust fronts above ductile and frictional detachments, Application to structures in the Salt Range and Potwar Plateau, Pakistan: Geological Society of America Bulletin, Bulletin; March 2000, v. 112(3), p. 351-363. Dauteuil, O. and Mart, Y., 1998. Analogue modeling of faulting pattern, ductile defrmation, and vertical motion in strike-slip fault zones: Tectonics, v. 17(2), p. 303-310. Davis, G.H., Reynolds, S.J. and Kluth, C.F., 2012. Structural Geology of Rocks and Regions: New York – Wiley, third edition, 790 p. Dooley, T.P. and Schreurs, G., 2012. Analogue modelling of intraplate strike-slip tectonics, a review and new experimental results: Tectonophysics, v. 1-71, p. 574-575. Fossen, H., 2010. Structural Geology. United States of America-New York by Cambridge University Press, First Published, 481 p. Gibbs, 1983. Balanced cross-section construction from seismic sections in areas of extensional tectonics: Journal of Structural Geology, v. 5(2), p. 153-160. doi:http://dx.doi.org/10.1016/0191-8141(83)90040-8 Kratinová, Z., Kratinová, P., Hrouda, F. and Schulmann, K., 2006. Non-scaled analogue modelling of AMS development during viscous flow, a simulation on diapir-like structures: Tectonophysics, v. 418, p. 51-61. Mandal, N., Deb, S.K. and Khan, D., 1994. Evidence for a non-linear relationship between fracture spacing and layer thickness: Journal of Structural Geology, v. 16(9), p. 1275-1281. Mansfield, CH. and Cartwright, J., 2001. Fault growth by linkage: observations and implications from analogue models: Journal of Structural Geology, v. 23, p. 745-763. Okubo, S. and Fukui, K., 1997. Local safety factor applicable to wide range of failure criteria, Rock Mechanics and Rock Engineering, v. 30(4), p. 223-227. Pachon-Rodriguez, E.A., Guillon, E., Houvenaghel, G. and Colombani, J., 2014. Wet creep of hardened hydraulic cements Example of gypsum plaster and implication for hydrated Portland cement: Cement and Concrete Research, v. 63, p. 67-74. Risnes, R. and Korsnes, R.I., 1999. Tensional strength of soft chalk measured in direct and Brazilian tests, International cong. on rock mechanics. Rutter, E.H., 1986. On the nomenclature of mode of failure transition in rocks: Tectonophysics, v. 122, p. 381-387. Sæterdal Bøyum, M., 2015. Plaster Modelling of Fault Development in Extensional Regimes: MSc-thesis at University of Bergen, Department of Earth Science. Sokoutis, D., Corti, G., Bonini, M., Brun, P.J., Cloetingh, S., Mauduit, TH. and Manetti, P., 2007. Modelling the extension of heterogeneous hot lithosphere: Tectonophysics, v. 444, p. 63-79. Supak, S., Bohnenstiehl, D.R. and Buck, W.R., 2006. Flexing is not stretching: An analogue study of flexure-induced fault populations: Earth and Planetary Science Letters, v. 246, p. 125-137. Tavakoli, B., 2011. Engineering Geology, Payame-Noor University press, 303 p. Van der Pluijm, B.A. and Stephen Marshak, S., 2004. Earth structure: an introduction to structural geology and tectonics, Printed in the United States of America, Second Edition, 673 p. Van Gent, H., 2005. Scaled analogue models of normal faulting in brittle lithologies, MSc-thesis at GED/RWTH Aachen, sponsored by Shell Abu Dhabi BV, Utrecht University, Faculty of Geosciences. Weijermars, R. and Schmeling, H., 1986. Scaling of Newtonian andnon-Newtonian fluid dynamics without inertia for quantitative modelling of rock flow due to gravity (including the concept of rheological similarity): Physics of the Earth and Planetary Interiors, v. 43, p. 316-330. Withjack, M.O., Schlische, R. and Henza, A.A., 2007. Scaled experimental models of extension: dry sand vs. wet clay: Houston Geological Society Bulletin, v. 49 (8), p. 31-49. Woodcock, N.H. and Fischer, M., 1986. Strike – slip duplexes: Journal of Structural Geology, v. 8(7), p. 725-735. Yu, Q.L. and Brouwers H.J.H., 2011. Microstructure and mechanical properties of b-hemihydrate produced gypsum: An insight from its hydration process: Construction and Building Materials, v. 25, p. 3149-3157. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 3,373 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,280 |
||