Frictional behavior and microstructures of calcite-bearing fault gouges

Le proprietà frizionali delle faglie e le proprietà fisiche e meccaniche delle rocce di faglia influenzano in modo importante la nucleazione, la propagazione e l’arresto dei terremoti. Per capire più approfonditamente il comportamento meccanico delle faglie in rocce carbonatiche, sono stati fatti esperimenti a diverse velocità usando gouge (rocce granulari) di calcite, con tre diverse macchine rotary shear: ROSA, installata presso il Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova, Italia; SHIVA, presso l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Roma, Italia, e il Phv-apparatus del Physical Property Research Group del Kochi Institute of Core Sample Research, Kochi, Giappone. Tre sono gli obiettivi principali indagati con il metodo sperimentale: 1) La formazione di clast-cortex aggregates (aggregati aventi al nucleo un clasto e una corteccia composta da detrito granulare ultrafine) nelle zone di faglia ricche in calcite sia naturali che sperimentali (Capitolo I); 2) Localizzazione della deformazione nei livelli di gouge (Capitolo II); e 3) L’effetto dei fluidi (acqua) nel comportamento frizionale del gouge di calcite (Capitolo III). I Clast-cortex aggregates (CCAs) sono clasti compositi che si trovano nelle zone di slip delle faglie ricche in calcite e minerali argillosi, precedentemente candidati sulla base di evidenze tessiturali ad essere indicatori di scivolamento cosismico. Esperimenti mirati sono stati fatti per trovare la correlazione tra la formazione di CCA in gouge di calcite e velocità, sforzo normale, rigetto totale e condizioni ambientali (umidità atmosferica e saturazione in acqua). I risultati sperimentali mostrano che i CCA si formano a tutte le velocità di scivolamento (da 100 µm/s a 1 m/s) ma solo a sforzi normali relativamente bassi (<5 MPa). Gli aggregati sono più abbondanti e meglio sviluppati per grandi rigetti (massimo rigetto imposti pari a 5 m) e non si formano negli esperimenti con gouge saturo d’acqua. Negli esperimenti, gli aggregati si sono formati in regioni poco deformate del livello di gouge, ma adiacenti alle zone con elevata localizzazione della deformazione. Da queste osservazioni sperimentali concludiamo che i CCA si formino nelle parti più superficiali delle faglie durante lo la deformazione per taglio in condizioni relativamente asciutte, ma non necessariamente durante lo scivolamento cosismico. Di conseguenza i CCA non possono essere usati come indicatori di slip cosismico. Il meccanismo di formazione dei CCA è per rotazione dei clasti dovuta al flusso granulare accompagnato ad accrescimento per cattura di particelle più piccole della matrice, probabilmente a causa di forze di natura elettrostatica. Per meglio comprendere i meccanismi di localizzazione della deformazione durante lo scivolamento cosismico, che controlla, p.e., lo sviluppo di calore per attrito su faglia e il bilancio energetico di un terremoto, abbiamo condotto esperimenti imponendo velocità di scivolamento da intermedie ad elevate con macchine tipo rotary shear su gouge di calcite. All'interno dello spessore del gouge abbiamo posizionato dei marker (indicatori) di deformazione per taglio composti da gouge di dolomite. I marker, deformandosi unitamente alla matrice di calcite, consentono di misurare la distribuzione della deformazione per taglio nel livello di gouge negli esperimenti. Le analisi microstrutturali hanno dimostrato che sia in condizioni asciutte che in presenza d’acqua la deformazione a velocità di scivolamento di 1 m/s, è molto rapida e si localizza in una zona principale di scivolamento (ZPS) dallo spessore di poche decine di micrometri e sulla adiacente superficie principale di scivolamento (SPS). La deformazione per taglio accomodata nella parte rimanente del livello di gouge non cambia significativamente all’aumentare del rigetto, suggerendo che, una volta localizzata, la ZPS e la SPS accomodano la maggior parte del rigetto. Questa conclusione è supportata dalla presenza di granuli sinterizzati e ricristallizzati e zone di decarbonatazione della calcite adiacenti alla SPS, che indicano lo sviluppo, estremamente localizzato, di calore per attrito. I dati meccanici indicano che i gouge saturi in acqua si indeboliscono (l'attrito diminuisce più rapidamente con il rigetto) di quelli asciutti, ma le microstrutture sono sostanzialmente simili per quanto riguarda la velocità di localizzazione della deformazione. L'indebolimento frizionale nei gouge saturi d'acqua può essere innescato dal meccanismo di crescita sub-critica delle microfratture, più efficiente in presenza d'acqua. L'estrapolazione di questi risultati alle condizioni naturali, suggerisce che i gouge ricchi in calcite sono più favorevoli allo scivolamento se saturi in acqua, piuttosto che in condizioni relativamente più asciutte. L’effetto dei fluidi sul comportamento frizionale di gouge di calcite è stato ulteriormente studiato attraverso esperimenti in controllo di pressione di fluidi a velocità da intermedie ad elevate. Coerentemente con i nostri esperimenti con gli indicatori di deformazione, il rigetto appare localizzato su una o più superfici di scivolamento che sono spesso contornate da zone di ricristallizzazione. La microspettroscopia Raman ha evidenziato la presenza di carbonio amorfo sulla superficie di scivolamento, indicatore di processi di decarbonatazione nella calcite. In esperimenti condotti a basse velocità di scivolamento (1 mm/s), la minore resistenza al taglio dei gouge saturi d’acqua rispetto ai gouge deformati in presenza di sola umidità atmosferica, è attribuita a lubrificazione intergranulare operata dalla acqua e alla bassa energia di superficie della calcite. Quest'ultima consente l'accelerazione dei processi di crescita sub-critica delle microfratture cui corrisponde un alto grado di compattazione. Nelle prime fasi di scivolamento ad alte velocità, l’indebolimento nei gouge saturi avviene improvvisamente, mentre i gouge in presenza di umidità atmosferica mostrano una fase di aumento di resistenza al taglio prima della fase di indebolimento. Per un dato sforzo normale efficace, per rapporti più elevati di pressione di poro su sforzo normale, lo sforzo di taglio di picco è minore e la fase di aumento di resistenza che precede l'indebolimento più lunga. La riduzione della resistenza per attrito ad alte velocità di scivolamento (cosismiche, ca. 1 m/s), sia in condizioni di umidità atmosferica che sature d’acqua, occorre verosimilmente per meccanismo di "riscaldamento istantaneo" (flash heating) alla scala delle asperità (decine di micrometri). L'indebolimento per "flash heating" è accelerato in presenza di fluidi per il meccanismo di crescita subcritica delle microfratture. Coerentemente con il verificarsi di flash heating, la presenza di carbonio sulla superficie di scivolamento dei nostri campioni di calcite indica che la decarbonatazione è avvenuta nonostante le temperature medie nell'intera zona di scivolamento, misurate con termocoppia, fossero più basse di quella di decarbonatazione. Ad alte velocità di scivolamento, in esperimenti in condizioni sature non drenate, la presenza di un intenso riscaldamento frizionale comporta la pressurizzazione termica del livello di gouge, con conseguente diminuzione dello sforzo di taglio. Nella zona di scivolamento, la formazione di nanoparticelle, grani ricristallizati di calcite e microcavità adiacenti alla superficie di scivolamento principale può essere associata a processi di grain boundary sliding sostenuti da processi diffusivi dipendenti dalla granulometria. Di conseguenza, la deformazione cosismica non è accomodata da soli processi prettamente frizionali, ma anche di tipo superplastico. I risultati degli esperimenti indicano che la presenza d’acqua in faglie all’interno di litologie carbonatiche facilita l’enucleazione di terremoti, ancor più se i fluidi presenti sono in pressione. Questa potrebbe essere una possibile spiegazione delle lunghe sequenze sismiche all’interno di successioni carbonatiche, ad esempio Umbria-Marche e L’Aquila. In aggiunta, la complessa distribuzione dei rigetti durante un singolo terremoto potrebbe essere causata da differenze nel grado di saturazione in fluidi in diverse zone della faglia.