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Il comportamento di una faglia sperimentale e le sue microstrutture

A cura di Giacomo Pozzi Il ciclo sismico viene studiato in laboratorio usando apparati sperimentali in grado di riprodurre nel piccolo delle asperità di faglia, simulando condizioni naturali. Il dato meccanico ricavato viene usato per studiare la fisica che controlla i processi di nucleazione, propagazione e arresto. Ne è un esempio la teoria “rate and state” che descrive le proprietà di secondo ordine dell’attrito dei materiali e che viene ampiamente impiegata nella simulazione numerica dei terremoti. Anche se questa ed altre leggi godono di ampia caratterizzazione in letteratura, ad oggi ancora sono poco comprese da un punto di vista fenomenologico e, di conseguenza, lasciano spazio a diversi modelli interpretativi del loro funzionamento. Con ogni esperimento possiamo ottenere non solo il dato meccanico ma anche i campioni deformati. Questi materiali “registrano” una storia deformativa che può essere studiata attraverso l’analisi microstrutturale. La natura “post mortem” dei campioni, i.e., la possibilità di osservare i materiali solo alla fine dell’esperimento, rende l’analisi simile alla ricostruzione della geologia strutturale, ma alla scala del micron. In questa presentazione, verranno mostrati tre casi di studio in cui l’analisi microstrutturale viene intimamente associata con il dato meccanico per l’interpretazione dei processi deformativi. Gli esperimenti sono stati svolti mediante l’uso di BRAVA, apparato bi-triassiale del laboratorio HPHT della sede INGV di Roma. Il primo caso mostra il comportamento instabile di misture di anidrite e dolomia, rocce protagoniste della sismicità nell’Appennino centrale, in funzione delle tessiture ereditate. Nello stesso materiale, tessiture formate ad alto sforzo normale favoriscono slip sismico quando riattivate a sforzi normali inferiori mentre tessiture formate a sforzo più basso mostrano deformazione stabile. L’eterogeneità della zona principale di slip controlla inoltre il rilascio elastico nel tempo producendo profili di velocità asimmetrici o simmetrici. Il secondo caso di studio analizza la variazione delle proprietà di attrito con la velocità in serpentiniti ricche di magnetite, campionate presso Monte Fico, Isola d’Elba. Queste rocce, importanti componenti in diversi ambienti tettonici, sono suscettibili di nucleazione di instabilità sismiche, specialmente a basse velocità di scivolamento. L’instabilità frizionale nasce dalla complessa interazione della frazione fillosilicatica (serpentino) e granulare (magnetite), dove l’eterogeneità della zona di taglio principale si riflette nell’eterogeneità del comportamento stick-slip. Il terzo caso comprende uno studio sistematico delle proprietà di attrito e associate microstrutture in campioni naturali di basamento dell’Appennino Toscano. Queste rocce, composte prevalentemente da quarzo e muscovite, mostrano un caratteristico comportamento frizionale associato a particolari microstrutture. Rocce ad alto attrito mostrano microstrutture di tipo Y-B-P-R (deformazione localizzata in sottili bande cataclastiche), rocce a basso attrito mostrano invece il tipo S-C-C’ (deformazione distribuita associata ad una foliazione pervasiva). In natura, la distribuzione spaziale delle due litologie può spiegare il cutoff sismico nel basamento dell'Appennino centrale, dove la litologia debole promuove deformazione asismica mentre lenti ricche in quarzo producono locale microsismicità. Questi casi di studio mostrano l’importanza dello studio microstrutturale associato all’analisi del dato meccanico, aiutando l'interpretazione (alla scala del laboratorio) del ciclo sismico.