Apparati:
1) Triassiali
2) Rotativi
3) Biassiali
4) Biassiali con cella di confinamento
OSS: in questo modulo andremo a illustrare il funzionamento dei
diversi tipi di apparati di meccanica delle rocce sopra presentati
e vedremo come questi macchinari sono stati utilizzati per
migliorare le conoscenze sulla fisica delle rocce e meglio
comprendere alcuni processi naturali come lo sviluppo di
fratture, le eruzioni vulcaniche, i terremoti….
1) Apparati Triassiali
Apparato triassiale presso l’Università di Liverpool
La pressione di confinamento è applicata mediante
olio per confinamento; La forza verticale è applicata
mediante un pistone servocontrollato e collegato ad
un motore; il campione è posto all’interno di un
giacchetto e sigillato mediante O-rings; il flusso di
fluido all’interno del campione è controllato da due
intensificatori.
Confining
pressure gauge
Pressure vessel
Pore pressure
gauge
Pore fluid and axial load
controllers
Transducer
amplifiers
Control PC
Pore pressure
generator
Axial loading
system
A seconda della relazione tra sforzo e deformazione/pressione di confinamento, si
hanno diversi comportamenti. Quando la relazione sforzo e deformazione è lineare
(pressure sensitive) si ha un modo di deformarsi elastico e fragile con
deformazione localizzata e stress drop. Quando la relazione tra sforzo e
deformazione/pressione di confinamento è (pressure insensitive) si ha un modo di
deformarsi duttile con deformazione distribuita e assenza di stress drop.
OSS: vari tipi di meccanismi deformativi possono produrre un modo di deformarsi
duttile ed i fattori che influenzano lo sviluppo di un meccanismo rispetto ad un
altro sono funzione di (T, velocità di deformazione, pressione di confinamento,
presenza di fluidi).
Esperimenti di laboratorio condotti in apparato triassiale su anidriti sottoposte a
pressione di confinamento (Pc) costante e pari a 100 MPa, a diversi valori della
pressione dei fluidi (Pf), risultante in diversi valori della pressione effettiva (Pe =
Pc-Pf). Partendo da queste condizioni al contorno il campione viene deformato,
aumentando il carico assiale (ovvero lo sforzo differenziale).
De Paola et al., JGR, 2009
Pe = 10 MPa
Pe = 20 MPa
Pe = 40 MPa
• Il modo di deformarsi è controllato dalla pressione
effettiva, minore è Pe (ovvero più alta è Pf) più il
comportamento è fragile.
Brittle
Ductile
Ductile
• La strength del campione (massimo sforzo
sostenibile) è controllata dalla grain-size e
dall’orientazione della foliazione.
Per il comportamento fragile, le microstrutture evidenziano una deformazione localizzata lungo
la zona di faglia con gouge di faglia che si forma durante lo stress drop. Questa frattura fa
aumentare esponenzialmente la permeabilità durante la rottura (fracture permeability) vedi
modulo 5.
Per il comportamento duttile si ha una deformazione distribuita su tutto il campione con zone di
flusso cataclastico e deformazione per twinning. La tortuosità del sistema di percolazione
renderebbe la permeabilità bassa anche all’aumentare della deformazione, vedi modulo 5
Durante gli esperimenti di deformazione, si possono installare degli strumenti che
misurano le emissioni acustiche (AE), vedi modulo 2. Le AE rappresentano dei
“microterremoti” associati alle microfratture che si sviluppano durante la
deformazione del campione.
Questa tecnica è molto importante perché permette di monitorare l’evoluzione
delle fratture e delle strutture durante la deformazione.
Apparato triassiale presso UCL, Londra
• Samples: 40mm x 100mm
• PZT AE transducers (12)
• Pore-pressure inlet and outlet
• Co-axial cables to AE system
Benson et al GRL, 2007
Dal modulo 2
Tasso di emissioni acustiche, AE, durante l’esperimento e localizzazione delle
stesse (puntini verdi) durante la rottura di un campione.
Benson et al GRL, 2007
Si stanno investigando i processi
che avvengono durante questo
intervallo dell’esperimento.
h"p://volcanoes.usgs.gov/vhp/earthquakes.html
Studi sperimentali sulla sismicità
che precede le eruzioni vulcaniche.
Burlini et al., Geology, 2007.
Apparato triassiale Paterson, con pressione di
confinamento (gas) 300 MPa e T=1200°C.
Studi sperimentali sulla sismicità che precede le
eruzioni vulcaniche. Burlini et al., Geology, 2007.
Viene aumentata la T a 20°C/min fino a 1200 °C
con fusione del MORB basalt. Vengono misurate Vp.
Notare il forte decremento di Vp e la forte
attenuazione delle onde all’aumentare della T a
causa della fusione del MORB .
Inizialmente si hanno sporadiche AE, con relativa
alta frequenza e
energia durante la fase di
riscaldamento. La spiegazione più probabile è un
crack termico causato dall’espansione anisotropa
dell’olivina.
Superata la T di fusione si hanno pochi eventi ad
alta frequenza seguiti da eventi a più bassa
frequenza di lunga durata e di ampiezza minore e
costante.
L’analisi microstrutturale a fine esperimento
evidenzia la migrazione del magma basaltico
all’interno dei micro-cracks dell’olivina.
Apertura delle fratture = eventi ad alta frequenza,
Segnale a bassa frequenza ed armonico =
migrazione del magma nelle fratture.
2) Apparati Rotativi
a) ad alta velocità
b) ad alta pressione e temperatura
c) condizioni idrotermali
a) ad alta velocità
(Roma, Padova, Durham, China, Giappone, Stati uniti)
SHIVA in INGV
Velocità di scivolamento fino a 9 m/s
Accelerazione 40 m/s2
Sforzo normale 50 MPa
Dal corso di Geologia 2 o Geologia Strutturale
Criterio di riattivazione di faglie ed attrito di Byerlee tipico di una vasta gamma di
rocce.
Byerlee, PAGEOPH, 1978
Evidenze sperimentali di lubrificazione a seguito di processi di
fusione prodotti dai terremoti
I dati meccanici di questo esperimento, condotto a sforzo nomale costante e pari a
15 MPa, mostrano che per alte velocità di scivolamento (1.2 m/s) si ha una forte
diminuzione dello sforzo di taglio. Durante l’esperimento la roccia di partenza
(granito) fonde in seguito al calore prodotto per attrito.
Di Toro et al., Science, 2006.
OutcropviewoftheGLF:200mainsub-parallelfaults
1m
Pseudotachilite:
roccia vetrosa per fusione e ri-solidificazione della roccia di faglia originaria. pseudotachylyte (melt)
cataclasites (no melt)
Pseudotachilite:
roccia vetrosa per fusione e ri-solidificazione della roccia di faglia originaria. 50µm
50µm
pseudotachylyte
Nature
50mm
Experiment
Di Toro et al., Science 2006
50mm
Riportando i dati
di sforzo di taglio al valore di steady state, ovvero dopo il
weakening, e sforzo normale, si nota che questi si dispongono lungo una retta con
coefficiente angolare di 0.05 ovvero molto, molto minore rispetto ai valori di Byerlee.
Da questi dati si è potuto dimostrare che i fusi prodotti per attrito (a velocità
paragonabili a quelle di scivolamento di una faglia durante un terremoto) sono un
valido meccanismo di lubrificazione delle faglie (facilitano la propagazione di un
terremoto lungo la faglia).
Di Toro et al., Science, 2006.
b) Ad alta temperatura
P. es. presso l’ETH di Zurigo.
Il campione è messo in un apparato con Confining pressure:0 – 500 MPa; Pore
pressure:0 – 400 MPa; Temperature: 0 – 1800 K; Shear strain rate: 5.10-3 – 5.10-6 s-1;
shear strain γ: 0 – 50.
Dal corso di Geologia Strutturale: shear strain
Esprime la variazione di forma degli oggetti durante la deformazione in
funzione della variazione dell’angolo di rotazione di linee rette rispetto alla
loro posizione iniziale.
In questo esperimento condotto su di un campione di marmo di Carrara si nota
come:
lo strength (massimo shear stress registrato durante l’esperimento) è
inversamente proporzionale alla temperatura.
200
Hardening
lo strength (all’interno di un determinato intervallo di temperatura) è direttamente
proporzionale allo shear strain rate.
shear strain rates:
Onset of weakening
6.10-5 s-1 - 3.10-3 s-1
Shear stress (MPa)
160
120
End of weakening
Weakening
80
40
500 C
600 C
727 C
Steady - state
0
0
5
10
15
20
25
30
Shear strain (γ)
35
40
45
50
c) condizioni idrotermali
p.es. Hydrothermal Ring Shear Machine (Utrecht). Questo tipo di apparato è
importante per studiare l’evoluzione microstrutturale e delle proprietà meccaniche di
rocce di faglia caratterizzate da processi di dissoluzione e riprecipitazione.
Specifications
• σn effective ≤ 300 MPa
• Pf ≤ 300 MPa (H20 P-medium)
• T ≤ 700 °C (int. heated)
• V = 1 nm/s – 15 µm/s….
• Gouge thickness 0.5 – 1 mm
Slip on mica foliation + pressure
solution of intervening clasts (NaCl)
In questi esperimenti si nota uno strain weakening in presenza di gouge ricco in
fillosilicati (in questo esempio Kaolinite). In assenza di fillosilicati non si ha strain
weakening.
Normal stress sn = 5 MPa, shear strain rate 3E-4 s-1
NaCl+brine
NaCl+kaolinite+brine
1 2
3
Bos and Spiers (2001 JGR, 2002 JSG)
4
Durante l’esperimento con strain weakening è stata studiata l’evoluzione delle
microstrutture e si è visto che il weakening si innesca quando la microstruttura
evolve da cataclasite (random fabric) a roccia foliata (fabric ordinato con piani
preferenziali di scivolamento), con microstruttura SCC’.
1
2
3
Bos and Spiers (2001 JGR, 2002 JSG)
4
Brittle/frictional stage
γ=1.5
800µm
1
2
γ=7
Strain weakening stage
500µm
3
γ=30
4
γ=100
3) Biassiali
Kyoto, Giappone
Penn State University
Columbia University
Scholz, 1972
USGS Menlo Park
Blocco superiore 1.5 m,
inferiore 2 m.
National Research Institute
for Earth Science and
Disaster Prevention in Japan
INGV
Ciclo sismico e comportamento stick-slip
Un ciclo sismico è l’intervallo di tempo che intercorre tra l’enucleazione di
un terremoto e l’evento successivo sulla stessa faglia. OSS: alcuni cicli
sismici possono durare anche migliaia di anni. Il movimento continuo delle
placche viene accomodato lungo le faglie con movimenti stick-slip
I primi esperimenti di laboratorio a supporto della teoria del
rimbalzo elastico e dello stick & slip. (Brace & Byerlee 1966, Science).
Esperimenti di stick & slip, oggi.
Vertical force
Horizontal force
Esperimenti di stick & slip oggi.
velocity micron/s
Esperimenti di stick & slip oggi. Notare l’evoluzione della velocità di scivolamento
della faglia sperimentale durante i cicli sismici: nonostante il blocco verticale avanzi
con una velocità costante di 10 micron/s, la velocità della faglia sperimentale è zero
durante la fase intersismica (fase di stick) e raggiunge repentinamente valori di
2000 micron/s durante lo stress drop (fase di slip).
Effetti di perturbazioni acustiche sul comportamento stick-slip di
materiali granulari ed implicazioni per i terremoti Johnson et al., Nature,
2008.
Viene usato un approccio sperimentale per vedere
se le piccole deformazioni prodotte dal passaggio di
onde acustiche generate da terremoti enucleatisi a
grandi distanze possono cambiare i tempi di
ricorrenza di una faglia con stick-slip.
Gli esperimenti sono condotti su palline di vetro che
hanno un comportamento stick-slip. Questo
comportamento varia in funzione di: velocità di
deformazione, sforzo normale, spessore faglia
sperimentale e umidità relativa. Comunque per
condizioni al contorno fisse, gli stick & slip sono
costanti.
In questi esperimenti si utilizza una sorgente di
onde acustiche per vedere se queste possono
perturbare gli stick & slip.
Terremoti di piccola M, corrispondenti
a aftershocks innescati, si sviluppano
quando la perturbazione acustica
supera alcuni microstrain.
Le vibrazioni inoltre distruggono la
periodicità degli intervalli di ricorrenza
dei terremoti e possono contribuire
alla complessità dei tempi di
ricorrenza dei terremoti comunemente
osservata.
4) Biassiali con cella di confinamento
BRAVA @ INGV
@ Penn State University, US
OSS: questi apparati sono utilizzati per studiare le proprietà dell’attrito a diverse pressioni di
confinamento e pressione dei fluidi e per caratterizzare la permeabilità delle zone di faglia. Studi
ed esperimenti specifici con questi apparati verranno presentati nei moduli 4 e 5.
