1) Criteri Macroscopici di Fagliamento CMF
Inizio del fagliamento (Anderson)
Teoria della riattivazione
Formazione di fratture (Joints e idrofratture)
2) Struttura di una zona di faglia e Rocce di faglia
3) Indicatori cinematici
1) Criteri Macroscopici di Fagliamento, CMF, Fragili
σ1 Joints/Fratture
σ3 Faglie neo-formate
Faglie riattivate
Fratture idrauliche
Inizio del fagliamento (Anderson)
Teoria della riattivazione (Amontons)
Formazione di fratture (Griffith)
CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
σ1
Anderson, seguendo gli studi sviluppati
da Coulomb e Mohr, propose una
classificazione dinamica delle faglie
basata su tre ipotesi:
- la crosta è omogenea ed isotropa;
- la superficie terrestre è un piano
principale dello sforzo.
- Il fagliamento è governato dal
criterio di Coulomb;
Se la superficie terrestre è un piano
principale dello sforzo, ovvero τ=0 sulla
superficie terrestre, uno degli sforzi
principali (σ1 > σ2 > σ3) risulta
perpendicolare alla superficie terrestre.
Sulla base di questa assunzione vengono
definiti tre stati di sforzo fondamentali
per la parte fragile della crosta.
σ3
σ2
- regime distensivo con σ1 verticale: sistemi coniugati di
faglie normali
- regime compressivo con σ3 verticale: sistemi coniugati
di faglie inverse
- regime trascorrente con σ2 verticale: sistemi coniugati
di faglie trascorrenti
CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
È fondata sul criterio di Mohr-Coulomb
CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
È fondata sul criterio di Mohr-Coulomb
τ=C+µiσn
τ = Sforzo di taglio
C = coesione (MPa)
µi = coefficiente d’attrito interno
σn = sforzo normale
0.5 < µi <1.0 Jaeger and Cook 1979 τ σn
CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
Mohr-Coulomb ed angolo di inizio del fagliamento, θi
0.5 < µi < 1.0;
φ(µi = 0.5) = arctg (µi ) = 26°; φ(µi = 1.0) = arctg (µi ) = 45°; 2θi + φ = 90° ; θi = (90° -­‐ φ)/2;
22° < θi <32°. µi = tan (φ) CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
Inclinazione faglie Andersoniane
CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
Applicabilità della teoria di Anderson
Large portions of the brittle crust are characterised by relatively uniform
Andersonian stress fields (Zoback & Zoback, JGR, 92).
World stress map @ h<p://www-­‐wsm.physik.uni-­‐karlsruhe.de/pub/stress_data/stress_data_frame.html CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
Applicabilità della teoria di Anderson
CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
Applicabilità della teoria di Anderson
CMF: inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905
Osservazioni sulla teoria di Anderson
1) La teoria spiega l’inizio del fagliamento e quindi è applicabile a faglie con piccolo
rigetto e non a faglie lungo le quali si ha un forte spostamento.
2) La crosta è considerata omogenea ed isotropa in realtà questa non risulta né
omogenea né isotropa.
3) Spostamenti dalla condizione per cui uno degli sforzi principali è verticale possono
essere registrate in zone con forti variazioni di topografia, o in presenza di alti valori
dello sforzo di taglio alla base della crosta fragile.
Zone in cui si ha uno scostamento dalla condizione di stato di sforzo
“Andersoniano”: a) in presenza di dislivelli topografici; b) in presenza
di sforzo di taglio alla base della crosta fragile.
CMF: teoria della riattivazione
(faglie che si sono mosse più di una volta).
τ=C+µi(σn – Pf)
τ=µs(σn – Pf)
Inizio del fagliamento:
Riattivazione:
σ1 Joints/Fratture
σ3 Faglie neo-formate
Faglie riattivate
Fratture idrauliche
CMF: teoria della riattivazione
(faglie che si sono mosse più di una volta).
Coefficiente d’attrito
Regola di Byerlee: l’attrito è quasi sempre indipendente dal tipo di
litologia ed ha valori compresi tra 0.6-0.85.
Byerlee, PAGEOPH,1978
CMF: teoria della riattivazione
(faglie che si sono mosse più di una volta).
Teoria della riattivazione: angolo di riattivazione, θr
Byerlee, PAGEOPH, 1978
CMF: citerio della Griffith
Formazione di fratture o fratture idrauliche (vene estensionali)
Esperimenti di laboratorio mostrano che la resistenza a tensione delle rocce
è due ordini di grandezza inferiore rispetto a quella calcolata sulla base
delle forze dei legami atomici.
Questo perché all’interno di una roccia vi è una miriade di fratture, e
quando le condizioni di sforzo sono favorevoli quelle meglio
orientate ,ovvero quelle che sono nel piano σ1, σ2 e perpendicolari a σ3,
tendono a propagarsi.
σ2 σ3 Le fratture sono di forma
ellittica con rapporto degli
assi a>> c.
a c σ1 CMF: citerio della Griffith
Formazione di fratture o idrofratture (vene estensionali)
Parabola di Griffith (riportata in rosso):
Le fratture estensionali si
formano quando
ovvero
Le fratture estensionali si formano quando il cerchio di Mohr interseca la parabola di
Griffith nel punto σ’3 = -T, dove T è la resistenza a tensione delle rocce (punto E).
Quando il cerchio di Mohr interseca la parabola di Griffith in un punto dove τ è
diverso da zero si formano delle strutture ibride definite come extensional shear
(punto es).
Fratture/joint
Fratture/joint
Fratture/joint
Faglie riattivate: qua il rigetto è > 50 m
Faglie di neoformazione
Fratture idrauliche
Strutture fragili: fratture idrauliche
2) Struttura di una zona di faglia e Rocce di faglia
La meccanica delle faglie è controllata da numerosi fattori quali: la
litologia del protolite, i processi chimico-fisici che interessano sia la zona
di faglia che il protolite, le condizioni al contorno (P,T, fluidi..), l'intensità e
la velocità di deformazione, e lo stato di sforzo. Durante l'evoluzione e la
crescita di una faglia ciascun fattore può variare nello spazio e nel tempo,
producendo una distribuzione eterogenea di rocce di faglia e diversi
comportamenti meccanici. Data questa complessità al fine di meglio
comprendere le rocce di faglia, i meccanismi deformativi che le hanno
prodotte, e le condizioni di sforzo, è necessario un approccio
multidisciplinare che prevede l’integrazione di dati di terreno, studi
microstrutturali e di laboratorio, esperimenti di meccanica delle rocce.
2) Struttura di una zona di faglia e Rocce di faglia
Chester et al., JGR, 93; Nucleo o Fault core:
È la porzione della zona di
faglia dove la maggior
parte del rigetto viene
accomodato.
Zona di Danneggiamento o
Damage zone:
E’ il sistema di fratture e faglie
minori che circondano il nucleo
della faglia. Classificazione Tessiturale delle Rocce di Faglia
Tessitura casuale “Random fabric” incoesive Foliate Breccia di Faglia (se i frammenU visibili sono > 30% della roccia) Gouge di faglia (se i frammenU visibili sono < 30% della roccia) coesive Pseudotachilite (roccia vetrosa) Breccia 0-­‐10 % Matrice Proto cataclasite 10-­‐50% Matrice Protomilonite 10-­‐50% Matrice Cataclasite 50-­‐90% Matrice Milonite 50-­‐90% Matrice Ultra cataclasite 90-­‐100 % Matrice Ultramilonite 90-­‐100 % Matrice Sibson 1977, Fault rocks and Fault mechanisms, JGSL, citato più di 1300 volte !!
Gouge di faglia:
Le faglie presentano una polvere bianca costituita da quarzite comminuta e
clasti della roccia incassante.
Questo è stato prodotto a 3 km di profondità lungo la Bosman fault, durante un
M=3.7 nell’Ottobre 1997.
Miniere in Sudafrica:
3.6 km il posto più
profondo accessibile
dall’uomo !!!!
Cataclasite:
roccia caratterizzata da fratturazione e diminuzione della taglia granulometrica. Pseudotachilite:
roccia vetrosa per fusione e ri-solidificazione della roccia di faglia originaria. pseudotachylyte (melt)
cataclasites (no melt)
Milonite:
roccia foliata costituita da 50-90% di matrice.
500 µm Ultramilonite:
roccia foliata costituita da più del 90% di matrice.
Classificazione Tessiturale delle Rocce di Faglia
Sibson 1977, Fault rocks and Fault mechanisms, JGSL
Tessitura casuale “Random fabric” incoesive Foliate Breccia di Faglia (se i frammenU visibili sono > 30% della roccia) Gouge di faglia (se i frammenU visibili sono < 30% della roccia) coesive Pseudotachilite (roccia vetrosa) Breccia 0-­‐10 % Matrice Proto cataclasite 10-­‐50% Matrice Protomilonite 10-­‐50% Matrice Cataclasite 50-­‐90% Matrice Milonite 50-­‐90% Matrice Ultra cataclasite 90-­‐100 % Matrice Ultramilonite 90-­‐100 % Matrice Sebbene questa classificazione su base tessiturale rappresenti una pietra miliare per
la classificazione delle rocce di faglia vi sono alcuni problemi in quanto non si
considerano i meccanismi deformativi che producono le rocce di faglia.
Implementazione della classificazione tessiturale delle
rocce di faglia
• Meccanismi deformativi
• Evoluzione delle rocce di faglia
Metodi
Studi di laboratorio: MO,
SEM, TEM, XRD.
Esperimenti di
meccanica
delle rocce
Gouge di faglia e cataclasite foliata “frictional"
Rotazione e traslazione dei granuli di calcite in una massa di fondo ricca in fillosilicati
interessata da processi di “frictional sliding”. I processi cataclastici possono portare
all’allinemanto dei clasti lungo superifici di foliazione P.
Comportamento “fricUonal” Roccia foliata per processi di dissoluzione e riprecipitazione
I processi sono quelli di dissoluzione di alcuni minerali e riprecipitazione di nuove fasi
mineralogiche. Tali processi sono favoriti dalla circolazione di fluidi lungo la zona di
faglia e controllati da velocità di deformazione e T.
Roccia foliata per processi di dissoluzione e riprecipitazione
Dove S sta per surface (superficie) e C per cisaillement (taglio).
Le strutture che testimoniano l’attività di processi di
dissoluzione e riprecipitazione sono: superfici stilolitiche,
presenza di vene, cristalli troncati, deposizione di minerali in
strain shadows o all’interno di fratture intragranulo.
Roccia foliata per processi di plasticità intracristallina
Olivine
deformed at
1200 C high
strain sample.
L. Burlini, ETH.
A gamma 2 la roccia ha cambiato aspetto e si vedono gli originali cristalli circondati da nuovi piccoli
cristalli a grana fine e equidimensionali. A gamma 5 la roccia e’ quasi completamente
ricristallizzata. Si distinguono 2 famiglie di cristalli: i granuli blu sono estremamente allungati e
registrano la deformazione totale imposta. I granuli bianchi si sono comportati come granuli ‘duri’
resistendo di più alla deformazione.
Roccia foliata per processi di plasticità intracristallina
γ = 0.5
γ = 5
In questa figura sono
riportati I diagrammi
della distribuzione
degli assi a b e c del
cristallo di olivina in
seguito alla
deformazione.
Si nota che per
gamma pari a 0.5
l’orientazione
cristallografica è
abbastanza casuale
mentre per gamma =
5, l’orientazione
cristallografica e’
fortemente
controllata dalla
deformazione.
L. Burlini, ETH. Classificazione Tessiturale e associati Meccanismi
Deformativi delle Rocce di Faglia
Tessitura casuale “Random fabric” Foliate incoesive Breccia di Faglia (se i frammenU visibili sono > 30% della roccia) Cataclasi Gouge di faglia (se i frammenU visibili sono < 30% della roccia) Cataclasi Pseudotachilite (roccia vetrosa) Breccia coesive Gouge foliato cataclasi FricUonal melUng Te<oniU SCC’ Dissoluzione-­‐
riprecipitazione 0-­‐10 % Matrice Cataclasi MiloniU Protocataclasite 10-­‐50% Matrice Cataclasi Protomilonite 10-­‐50% Matrice PlasUcità intracristallina Cataclasite 50-­‐90% Matrice Cataclasi Milonite 50-­‐90% Matrice PlasUcità intracristallina Ultracataclasite 90-­‐100 % Matrice Cataclasi Ultramilonite 90-­‐100 % PlasUcità Matrice intracristallina 3) Indicatori cinematici
Per quelli planari è importante posizionarci in un affioramento
con una “buona” orientazione!
Indicatori cinematici: Struttura SCC’ per presso soluzione
e vene estensionali
T
C
Vene estensionali perpendicolari
al vettore tensione (T)
della
coppia di taglio Superfici di presso soluzione
perpendicolari al vettore
compressione (C) della coppia di
taglio. Esercizio
Esercizio
Indicatori cinematici: Struttura YPR su cataclasiti
Beeler et al 1996; Marone 1998
Esercizio
σn = 50 MPa; displacement = 3.0 cm; µ = 0.52. 100 µm
Indicatori cinematici: foliazione
Esercizio
Esercizio
Indicatori cinematici: drag folds
La forza di attrito lungo il piano di faglia può essere tale da indurre il piegamento
degli strati in prossimità della faglia.
a) Sono strutture che stanno a contatto con faglie
b) La loro orientazione e asimmetria è coerente con il movimento lungo la faglia.
N.B. sono un ottimo indicatore cinematico.
Esercizio
Indicatori cinematici: grooves o solchi
Indicatori cinematici: slikenfibres
Indicatori cinematici: strie di abrasione
