Studio sperimentale delle proprietà frizionali di faglie in ambiente idrotermale nell'area dei Campi Flegrei, Italia

This thesis presents an experimental study on the frictional properties of faults under hydrothermal conditions, aiming to improve the understanding of mechanical processes active within the Campi Flegrei volcanic system. Specifically, three experiments were conducted to analyze the friction coefficient and quantify the stress drops associated with stick-slip dynamics. The experiments were carried out at the Department of Geosciences of the University of Padua using a rotary shear apparatus equipped with a hydrothermal vessel, enabling the reproduction of conditions representative of the natural environment. Tests were performed at temperatures ranging from 150 to 350°C and fluid pressures between 5 and 30 MPa. The material used consists of a lithology analogous to the Campanian Ignimbrite, sampled from a borehole located within the Campi Flegrei caldera at a depth of approximately 500 m. Experimental conditions were designed to simulate various scenarios found in the Phlegraean area. In particular, conditions corresponding to depths of 1.2 to 1.5 km were replicated for two distinct zones: the area beneath Solfatara, characterized by high temperatures (up to 350°C) and the presence of vapor and gas phases; and the laterally adjacent zones, characterized by lower temperatures (approximately 300°C) and the predominance of liquid-phase fluids. To further investigate deformation mechanisms, microstructural analyses were performed on post-deformation samples using a scanning electron microscope (SEM), employing backscattered electron (BSE) imaging and energy-dispersive spectroscopy (EDS) to characterize the mineralogical and textural changes induced by the tests. The data show that rising temperatures lead to an increase in the friction coefficient, ranging from approximately 0.65 to 0.8. Concurrently, an increase in stress drops is observed—rising from values ​​on the order of 0.5 MPa to about 5 MPa—indicating greater energy release during slip events. A key finding of this study is the correlation between the instability observed in experimental faults and the spatial distribution of seismicity in the Campi Flegrei area. The conditions promoting unstable behavior in the laboratory align with areas of heightened seismic activity in the natural system, suggesting that temperature conditions and fluid phases exert strong control over earthquake nucleation. Overall, this study provides new experimental constraints on the frictional behavior of volcanic rocks in hydrothermal environments, integrating macroscopic and microstructural data to enhance our understanding of the processes governing seismicity in active volcanic settings.

Questo lavoro di tesi presenta uno studio sperimentale delle proprietà frizionali di faglie in condizioni idrotermali, con l’obiettivo di migliorare la comprensione dei processi meccanici attivi nel sistema vulcanico dei Campi Flegrei. In particolare, mediante tre esperimenti sono stati analizzati il coefficiente di attrito e la quantificazione degli stress drop associati a dinamiche di stick-slip. Gli esperimenti sono stati condotti presso il Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova utilizzando un apparato rotary shear equipaggiato con un vessel idrotermale, che ha permesso di riprodurre condizioni rappresentative dell’ambiente naturale. I test sono stati eseguiti a temperature comprese tra 150 e 350°C e pressioni dei fluidi comprese tra 5 e 30 MPa. Il materiale utilizzato consiste in una litologia analoga all’Ignimbrite Campana, prelevata da un pozzo situato all’interno della caldera dei Campi Flegrei a circa 500 m di profondità. Le condizioni sperimentali sono state progettate per simulare diversi scenari presenti nell’area flegrea. In particolare, sono state riprodotte condizioni a profondità comprese tra 1.2 e 1.5 km, in due aree distinte: la zona sottostante la Solfatara, caratterizzata da temperature elevate (fino a 350°C) e dalla presenza di fasi di vapore e gas, e le zone lateralmente limitrofe, contraddistinte da temperature inferiori (circa 300°C) e dalla predominanza di fluidi in fase liquida. Per approfondire i meccanismi di deformazione, sono state condotte analisi microstrutturali sui campioni post-deformazione mediante microscopio elettronico a scansione (SEM), impiegando la tecnica di imaging a elettroni retrodiffusi (BSE) e la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) per caratterizzare le variazioni mineralogiche e tessiturali indotte dai test. I dati mostrano che l’aumento della temperatura comporta un incremento del coefficiente di attrito, che varia da circa 0.65 fino a 0.8. Parallelamente, si osserva un aumento degli stress drop, da valori dell’ordine di 0.5 MPa fino a circa 5 MPa, indicando una maggiore energia rilasciata durante gli eventi di slip. Un risultato chiave di questo studio è la correlazione tra l’instabilità osservata nelle faglie sperimentali e la distribuzione spaziale della sismicità nei Campi Flegrei. Le condizioni che favoriscono comportamenti instabili in laboratorio risultano coerenti con le aree a maggiore attività sismica nel sistema naturale, suggerendo un forte controllo delle condizioni di temperatura e della fase dei fluidi sulla nucleazione dei terremoti. Nel complesso, questo studio fornisce nuovi vincoli sperimentali sul comportamento frizionale delle rocce vulcaniche in ambienti idrotermali, integrando dati macroscopici e microstrutturali per contribuire alla comprensione dei processi che regolano la sismicità in contesti vulcanici attivi.