Physico-chemical processes in seismogenic faults: active and exhumed examples

I processi chimici e fisici attivi nel ciclo sismico controllano l’evoluzione delle proprietà meccaniche delle zone di faglia, sia nel breve (durante la propagazione di un terremoto) che nel lungo periodo (per esempio, il recupero delle proprietà elastiche delle rocce di faglia nel periodo intersismico). L’irregolare distribuzione dei terremoti nel tempo è infatti dovuta alla complessa interazione tra energia di deformazione elastica accumulata nell’incassante e l’evoluzione temporale delle proprietà meccaniche (coesione, attrito, ecc.) delle zone di faglia. Studiare le rocce di faglia naturali è un mezzo per riconoscere i processi attivi nelle varie fasi del ciclo sismico e per confrontarne le tessiture con rocce deformate in laboratorio in condizioni controllate. Il campionamento di rocce in faglie sismogenetiche può avvenire attraverso (i) perforazioni di faglie attive e (ii) faglie non più attive ed oggi esumate nelle catene montuose. La perforazione di faglie attive permette di correlare i processi fisici e chimici identificati nelle rocce di faglia con l’attività (sismicità o scivolamento asismico) registrata in tempo reale, ma è limitata ai primi chilometri di crosta. Le faglie esumate d’altro canto permettono di accedere a livelli crostali più profondi e compatibili con quelli di nucleazione di grandi terremoti, ma si hanno pochi vincoli sul loro stile deformativo. In questa tesi, vengono studiati campioni da due faglie sismogenetiche: la Faglia di San Andreas (California, USA), faglia sismogenetica attiva, e la Faglia delle Gole Larghe (Alpi Meridionali, Italia), faglia sismogenetica esumata. Le faglie e le rocce di faglia sono state studiate integrando diversi metodi: geologia strutturale, deformazione sperimentale di rocce, analisi microstrutturale (microscopia ottica ed in catodoluminescenza, microscopio elettronico ad emissione di campo (FESEM), diffrazione da retrodiffusione elettronica (EBSD), analisi di immagine), mineralogia (diffrazione da raggi X (XRD)), geochimica (fluorescenza da raggi X (XRF), microanalisi da spettroscopia a dispersione di energia da raggi X (EDS), spettroscopia ad infrarosso (FTIR), microsonda elettronica (EPMA) ), geochimica degli isotopi stabili. La Faglia di San Andreas è stata perforata fino ad una profondità di 2.7 km presso Parkfield (California centrale) nell’ambito del progetto SAFOD (San Andreas Fault Observatory at Depth), con il recupero di tre carote da profondità prossime agli ipocentri di terremoti di bassa intensità (M<3) registrati in questo tratto della faglia. Nei campioni studiati, abbiamo identificato una sovrapposizione ciclica di strutture legate a presso-soluzione(creep), idrofratturazione e ancora presso-soluzione. Questo potrebbe confermare il modello secondo cui, in faglie mature e ricche in materiali argillosi come la Faglia di San Andreas, si possano formare delle sacche poco permeabili isolate in cui la pressione dei fluidi può aumentare a causa della continua compattazione del materiale di faglia, fino a superare la resistenza alla rottura della roccia. La faglia delle Gole Larghe è una faglia esumata che era attiva 30 Ma fa a 9 -11 km di profondità. La presenza di pseudotachiliti, fusi di frizione prodotti durante lo scivolamento sismico, testimonia l’attività sismica passata. La Faglia delle Gole Larghe permette quindi di avere un accesso diretto ai processi che avvengono alla profondità dei maggiori terremoti nella crosta continentale. Due argomenti sono stati affrontati: (i) l’evoluzione microstrutturale delle rocce cataclastiche associate alle pseudotachiliti all’aumentare della deformazione. Lo scopo dello studio è identificare i processi (intersismici) che possono portare alla nucleazione di instabilità frizionali nelle prime fasi di crescita di una faglia. Ai processi fragili come fratturazione e cataclasi si sovrappongono processi di presso-soluzione e alterazione, favoriti dalla frammentazione della roccia e dall’ingresso di fluidi idrotermali. (ii) L’origine dei fluidi nelle faglie sismogenetiche e nel processo di fusione per attrito. Nel caso della Faglia delle Gole Larghe, la formazione di un sistema di faglie cataclastiche consente l’ingresso di un fluido acquoso, di probabile origine profonda, anche se non può essere esclusa una componente di fluidi meteorici o connati. La caratterizzazione della speciazione dell’acqua attraverso spettoscopia FTIR nelle pseudotachiliti ha permesso di identificare un’idratazione tardiva (post-deformativa) delle pseudotachiliti. La composizione isotopica delle psudotachiliti (ricalcolata escludendo l’effetto dell’idratazione) è simile a quello di pseudotachiliti artificiali prodotte in condizioni anidre. La principale fonte di fluidi nelle pseudotachiliti è quindi la deidratazione dei minerali idrati (biotite, clorite, epidoto) della roccia incassante indotta dal calore di frizione prodotto dallo scivolamento cosismico.