Rock friction measurements with stonegrinder apparatus

Abstract

Liikkuvien tektonisten laattojen välillä kitkan oletetaan olevan suuri. Olettamuksen vastaisia havaintoja on kuitenkin tehty useissa tutkimuksissa. Kuuluisin esimerkki on San Andreasin siirros. Siirrosvyöhykkeellä on matala lämmöntuotto, minkä perusteella on arveltu myös kitkan olevan matala. Syynä matalaan kitkaan voivat olla pyöreät kulumapartikkelit, jotka toimivat kuulalaakereiden tavoin.

Kitkan tutkimista varten suunniteltiin ja rakennettiin ainutlaatuinen laite, kivenjauhin (engl. Stonegrinder). Kivenjauhimen tarkoitus on jauhaa kahta kairasydäntä toisiaan vasten ja samalla mitata kitkan muutoksia. Laite mittaa jauhamisen aikana vääntömomenttia, josta laskennallisesti saadaan kitkakerroin. Lisäksi kiven lämpötilan muutokset, pyörimisnopeus ja pystysuuntainen siirtymä tallennetaan.

Tutkimusta varten valmistettiin sekä karkea- että sileäpintaisia näytteitä gneissistä. Karkeita näytteitä jauhettiin sekä vakioisen normaalivoiman että vakioisen normaalipaineen alla. Sileät näyteet jauhettiin vakioisen normaalivoiman ja -paineen alla.

Tuloksista havaittiin, että karkeilla näytteillä vääntömomentti ja lämpötilan muutoksen suuruus ovat käänteisesti riippuvaisia paineesta. Kitkakerroin ei osoittautunut olevan riippuvainen paineesta tai lämpötilasta. Röntgentomografialla kuvatut kulumapartikkelit olivat kulmikkaita eikä näytteestä löydetty pyöreitä partikkeleita. Sileäpintaisten näytteiden keskimääräiset vääntömomentit olivat suuria johtuen kulumapartikkeleiden puutteesta jauhamispinnalla.

Friction between large moving tectonic plates is thought to be high but the lack of corresponding frictional heat suggests otherwise. The lack of friction could be explained by smaller rock fragments being rounded and acting as ball-bearings between the plates. To study rock fragmentation and friction a special apparatus called Stonegrinder was built. It grinds two drill core rock samples against each other and measures the changes in friction.

Rough surfaced gneiss samples were ground under two conditions: constant normal force, and constant normal pressure. Smooth surfaced gneiss samples were ground under constant normal force and pressure. Torque and the magnitude of temperature change were found to be inversely dependent on the compressive pressure. The coefficient of friction was independent of pressure and temperature. Wear particles imaged with X-ray tomography were found to be angular instead of spherical. Smooth surfaced samples had high mean torques due to the lack of wear particles.