Direkter Scherversuch

GIESA

In dieser Anlage wird eine zylindrische Bodenprobe zwischen zwei Stahlplatten eingespannt. Eine Normalspannung wird von oben über einen Stempel eingebracht. Die untere Platt wird mit Hilfe eines Elektromotors horizontal verschoben, sodass die Probe eine Scherbelasting erfährt. Das Gerät kann Deformationsraten bis hinunter zu ca. 5 cm/a realisieren. Damit kann eine große Anzahl tektonischer Gleitbewegungen abgebildet werden. Um z.B. einen Versuch mit den Verschiebungsraten im Japan Graben oder vor Costa Rica nachzubilden, wird eine Antriebsgeschwindigkeit von 8,5 cm/a eingestellt, realisiert durch 0,015 µm Schritte im 0,19 Hz Takt (ca. alle 5 Sek.). Die Beobachtung erfolgt alle 0,033 Hz (oder nach jeweil 10 Messungen mit 0,81 µm gesamtverschiebung). Das Ergebnis ist eine zeitlich geglättete Verschiebungsrate von 2.7 nm/s (= 8.5 cm/a). Beide Geräte, der Giesa Direktscherversuch und das Drehflügel-Schergerät sind geeignet für Versuche bei Raumtemperatur und Drücken bis 20 MPa. Das entspricht den Bedingungen in einer Tiefe von 1 - 2 km in der Erdkruste.

ikari et al — Ikari et al. 2015 Nature Geoscience

a, Beispieldaten der Scherbelastung und der Reibung von einer intakten Probe der JFAST Störungszone (Core 17R-1). Die Rahmen und Pfeile verweisen auf Ausschnittsvergrößerungen in den folgenden Abbildungen.

b, Vergrößerte Ansicht der Reibungsdaten. Sie zeigen einen Abfall von 10 μms⁻¹ auf 2.7 nms⁻¹. Δμ_ss ist ein Indikator für die konstante Reibung, die für die Berechnung von a − b bemötigt wird. Der Rahmen verweist wieder auf die Ausschnittsvergrößeung in Abbildung c.

c, Ausschnittsansicht des Ruckgleit-Verhaltens (Stick-Slip). Die Schespannung und die Verschiebung sind als Funktionen der Zeit dargestellt. Sprünge in der Verschiebung korrelieren mit Spannungsabfall.

d, Ausschnitt des Zeitraums mit verdreifachter Verschiebungsgeschwindigkeit. Im Detail ist der Bereich der Geschwindigkeitserhöhung 8.1–27 nms⁻¹ zu sehen. Überlagert dazu das inverse Model, von dem der Wert für a − b = −0.0034 abgeleitet wird.

e, Die erste langsame Instabilität aus a. Oben die Scherspannung, in der Mitte die Verschiebung, reduziert um die extern aufgebrachte Gleitgeschwindigkeit von 2.7 nms⁻¹ und unten die geglättete Momentangleitgeschwindigkeit der Probe als Funktion der Zeit. Δτ = Spannungsabfall. Die reduzierte Verschiebung wird zu Beginn der Belastungsphase auf 0 gesetzt. Verringerte Werte deuten auf ein Defizit im Gleiten, erhöhte Werte auf erhöhtes Gleiten. Die durchgezogene Linie beschreibt die antreibende Geschwindigkeit von 2.7 nms⁻¹ für den direkten Vergleich.

f, wie in e, hier für die zweite langsame Instabilität aus a.