σ1 σ3
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Criteri Macroscopici di Fagliamento, CMF, Fragili σ1 Joints/Fratture σ3 Faglie neo-formate Faglie riattivate Fratture idrauliche 1) Inizio del fagliamento (Anderson) 2) Teoria della riattivazione (Amontons) 3) Formazione di fratture (Griffith) CMF: 1) 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: 1) inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905 È fondata sul criterio di Mohr-Coulomb CMF: 1) 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: 1) 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: 1) inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905 Inclinazione faglie Andersoniane CMF: 1) 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). Worldstressmap@h<p://www-wsm.physik.uni-karlsruhe.de/pub/stress_data/stress_data_frame.html CMF: 1) inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905 Applicabilità della teoria di Anderson CMF: 1) inizio del fagliamento, Teoria di Anderson, 1905 Applicabilità della teoria di Anderson CMF: 1) 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: 2) 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 2) teoria della riattivazione (faglie che si sono mosse più di una volta). Teoria della riattivazione: angolo di riattivazione, θr Byerlee, PAGEOPH, 1978 2) teoria della riattivazione (faglie che si sono mosse più di una volta). Teoria della riattivazione: angolo di riattivazione, θr Optimal reactivation & Frictional lock-up Pf>σ3isdifficulttobesustained because: 1)Hydrofracturesformfor Pf = σ3 +T 2)kincreasesforlowvaluesof effecTvepressure(e.g.Serontetal., 1998). Sibson JSG, 1985 2) teoria della riattivazione (faglie che si sono mosse più di una volta). Teoria della riattivazione: angolo di riattivazione, θr Optimal reactivation & Frictional lock-up For Byerlee’s friction range, frictional lockup is expected for θr near 50°-60° Sibson JSG, 1985 CMF: 3) criterio 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: 3) criterio 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 Faglie di piccolo rigetto ≈ neoformazione Fratture idrauliche Strutture fragili: fratture idrauliche Fattori che influenzano i CMP 1) Coefficiente d’attrito Influenza sulla riattivazione dovuta a diminuzione del coefficiente d’attrito indotto dalla presenza di orizzonti interconnessi di fillosilicati Recenti studi di laboratorio hanno messo in evidenza che se si prendono delle rocce di faglia ricche in fillosilicati (20-35% in vol.) e si misurano le proprietà dell’attrito di questi campioni intatti (facendo scivolare le rocce parallelamente alla foliazione) questi hanno: 1) valori di attrito molto minori a Byerlee; 2) l’attrito delle polveri ottenute dalla macinazione dei campioni solidi (quindi stesse percentuali) è invece circa uguale ai valori di Byerlee; 3) l’attrito dei campioni solidi con (20-35 % in vol.) di fillosilicati è uguale a quello di polveri con più di 70% di fillosilicati: questo perche i campioni solidi si dispongono lungo orizzonti continui ed interconnessi. Powders Solid foliated 5 cm L2 L3 calcite 43% 39% tremolite 36% 26% talc 6% 15% smecTte 15% 20% phyllosilicates 21% 35% Differential thermal analysis coupled with mass spectrometer; XRPD on bulk starting sample; XRPD on the fine fraction (< 2 mm). Double direct biaxial loading apparatus at Penn State University USA Normal stress Shear stress Powders Solid Frictional properties: solid-foliated vs. powdered Each rock-type plots along a line consistent with a brittle failure envelope, BUT the foliated solid wafers are much weaker than their powdered analogues. Powders show a friction close to B ye r l e e ’s va l u e s w h e r e a s t h e foliated rocks posses values significantly lower, 0.45-0.23, and for each normal stress solid rocks have a friction coefficient 0.2-0.3 lower than powders Rappresentazione schematica degli esperimenti di laboratorio su: a) roccia di faglia intatta, b) roccia di faglia polverizzata. A sinistra è riportato uno schema della roccia di faglia prima dell’esperimento e a destra dopo l’esperimento; notare che la roccia di partenza contiene le stesse percentuali di minerali con basso e alto coefficiente d’attrito. Durante l’esperimento sulla roccia intatta la deformazione avviene lungo le micro-superfici pre-esistenti che sono quasi esclusivamente costituite da minerali con basso coefficiente d’attrito, minerali “deboli”. Il materiale polverizzato non presenta queste micro-superfici pre-esistenti, pertanto la deformazione avviene mediante fratturazione, traslazione e rotazione delle differenti fasi mineralogiche con il risultato di un alto coefficiente d’attrito. Fattori che influenzano i CMP 2) Pressione dei fluidi Fattori che influenzano i CMP 3) Resistenza a tensione delle rocce Diagramma composito con i criteri macroscopici di fagliamento, CMP Per capire meglio i CMP Studio delle condizioni necessarie a riattivare una faglia diretta inclinata 20° Si forma una nuova faglia Si formano fratture estensionali Si riattiva la faglia fortemente mal orientata
