HIGH DIFFERENTIAL STRESS IN THE SEISMOGENIC LITHOSPHERE: CONSTRAINTS FROM NUMERICAL MODELING AND MICROSTRUCTURAL ANALYSIS

The main goal of this thesis is to investigate the mechanics of seismic failure under high confinement pressure from the micrometric to the lithospheric scale, combining cutting-edge microstructural investigations and geodynamic numerical simulations. Deep-seated pseudotachylytes (i.e. coseismic quenched frictional melts), a proxy for deep earthquakes, are here both directly investigated to explore earthquake mechanics and used to constrain a brittle failure model on a lithospheric scale. Two complementary case studies are presented: (i) the seismicity at mid-crustal conditions, investigated from microstructural observations of pseudotachylytes from the hanging wall of the Woodroffe Thrust (Musgrave Ranges, central Australia), and (ii) the intermediate-depth subduction seismicity, whose predisposing conditions are modelled on a lithospheric scale extrapolating the occurrence of subduction-related deep pseudotachylytes to a general model of stress amplification promoting seismic failure. In the thesis: (i) I provide new pressure estimates for the pseudotachylytes of the Woodroffe Thrust, from the analysis of Al2SiO5 stable polymorphs crystallizing from the melt in pseudotachylyte-bearing peraluminous gneisses. (ii) I present the first complete earthquake on-fault energy budget from an exhumed fault at mid-crustal conditions, by quantifying the work associated with crystal-plastic straining of the host-rock minerals by applying HR-EBSD (high-angular resolution electron backscattered diffraction) on seismically shocked garnets. (iii) I propose a process of stress amplification that may induce the high differential stresses required for intermediate-depth seismicity in the dry and strong peridotites of the subducting oceanic slab in absence of weakening mechanisms.

L’obiettivo di questa tesi è lo studio della meccanica del terremoto in condizioni di alta pressione ambientale dalla scala micrometrica alla scala litosferica, combinando studi microstrutturali all’avanguardia e simulazioni numeriche di processi geodinamici. Pseudotachiliti (fusi frizionali cosismici solidificati) profonde, un proxy per i terremoti profondi, sono qui investigate per studiare la meccanica dei terremoti e usate per vincolare un modello di rottura su scala litosferica. Due casi studio complementari sono presentati: (i) la sismicità in crosta intermedia, studiata con osservazioni microstrutturali di pseudotachiliti dall’hanging wall del Woodroffe Thrust (Musgrave Ranges, Australia centrale), e (ii) la sismicità di subduzione intermedio-profonda, le cui condizioni sono simulate su scala litosferica estrapolando la presenza di pseudotachiliti profonde di subduzione a un modello generale di rottura sismica promossa dall’amplificazione degli stress. Nella tesi: (i) fornisco nuove stime di pressione per le pseudotachiliti del Woodroffe Thrust studiando la stabilità dei polimorfi di Al2SiO5 che cristallizzano dal fuso. (ii) presento il primo budget completo dell’energia dissipata sul piano di faglia durante un terremoto a condizioni di crosta intermedia, quantificando anche il lavoro associato alla deformazione cristal-plastica dei minerali della roccia incassante, applicando la tecnica HR-EBSD (diffrazione di elettroni retrodiffusi ad alta risoluzione angolare) su granati scioccati sismicamente. (iii) propongo un processo di amplificazione dello stress che può indure gli alti stress differenziali necessari per la sismicità intermedio-profonda in peridotiti anidre della placca oceanica in subduzione in assenza di altri processi.