Stima della potenza dissipata per attrito durante i terremoti: confronto tra faglie sperimentali e naturali. = Estimate of frictional seismic power dissipation from natural and experimental faults.

In the last decades, several approaches were applied to understand the physics of seismic faulting. In the field, the recognition of pseudotachylytes (solidified friction melts produced during seismic slip) which record seismic ruptures along a fault allowed to estimate, from exhumed faults, several earthquake source parameters, including the coseismic shear stress and the weakening distance that characterized the fault instability. In the laboratory, rotary shear rock friction apparatus allow to impose to rock samples of the size of glass a wide range of slip, slip velocities and normal stresses which approximate seismic deformation conditions. In particular, the possibility to acquire precise and accurate mechanical data, allows the determination of others earthquake source parameters such as the frictional power density (the product of slip rate with shear stress). This information is out of the range of seismological investigations, though is the power dissipated on a fault that controls earthquake-related processes (for instance, the temperature increase in the slipping zone is proportional to the power). In this thesis, we performed the microstructural analysis of natural pseudotachylytes collected from injection veins (tensile cracks) and fault veins (from extensional, neutral and compressional structural domains) and of artificial pseudotachylytes produced in the laboratory under controlled conditions (we used SHIVA, a rotary shear apparatus recently installed at the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Rome). The goal was to use the microroughness of the pseudotachylyte-wall rock boundary as a gage of the frictional power dissipated on a fault during seismic slip. In fact, theoretical work (Nielsen et al., 2010) predicts that smoother is the fault surface, higher was the coseismic frictional power dissipated on the fault. To analyze the microroughness, we draw detailed profiles from optical microscope and Back Scatter Scanning Electron Microscope images of the pseudotachylyte-wall rock boundary in natural and experimental samples. The profiles were quantitatively described with a MatLab script by means of a characteristic asperity height (ω0) and characteristic radii of a sphere that mimics the asperity shape (λave). Our data set shows that ω0 decreases with increasing frictional power density in artificial pseudotachylytes, and varies with the structural domain in natural pseudotachylytes, being the highest in tensional cracks (injection veins, where the frictional power dissipated is thought to be negligible) and the smallest in compressional domains (along fault veins, where the frictional power dissipated is higher). However, the microroughness of artificial pseudotachylyte has ω0 values which are 3 to 10 times smaller than the ω0 of the natural pseudotachylytes, independently of the structural domain of provenience of the latter. We speculate that this “systematic” difference, which impedes the quantitative determination of the power dissipated in natural samples, reflects the inherited roughness acquired during formation and evolution of natural faults before seismic faulting. Shortly, given the same length parallel to the slip vector, natural faults are rougher than artificial fault surfaces used in the laboratory. Though the results of this thesis are extremely promising, additional theoretical and experimental work is required in order to gain from the determination of the microroughness in pseudotachylytes, quantitative estimates of the frictional power dissipated during an ancient seismic event at seismogenic depths. ____________________________RIASSUNTO____________________________ Negli ultimi decenni, per comprendere i meccanismi attivi su una faglia durante un evento sismico, sono stati impiegati diversi approcci. In campagna, il riconoscimento delle pseudotachiliti (fusi di frizione solidificati prodotti durante scivolamento su faglia) come segno inequivocabile di un antico evento sismico registrato da una faglia, ha permesso di ricavare importanti parametri della sorgente sismica, come la resistenza frizionale cosismica, la distanza di indebolimento (che è un parametro critico dell’instabilità delle faglie), il bilancio energetico, ecc. In laboratorio, l’impiego di apparati sperimentali tipo rotary che riproducono i rigetti (anche di diversi metri), le velocità di scivolamento (ca. 1 m/s) e gli sforzi normali tipici di un terremoto, ha consentito di misurare diversi parametri della sorgente sismica, tra cui la potenza dissipata per attrito (prodotto della velocità di scivolamento per la resistenza frizionale cosismica) durante un terremoto. Quest’ultimo parametro non è ricavabile dalle indagini sismologiche, benché sia la potenza dissipata su di una faglia che condiziona l’evoluzione di un evento sismico. In questa tesi, abbiamo effettuato un’analisi microstrutturale di campioni naturali di pseudotachiliti raccolti in diversi domini strutturali (sfruttando la rugosità alla scala metrica delle faglie) e campioni sperimentali prodotti con SHIVA, un apparato tipo rotary installato presso l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia a Roma. L’obiettivo è di trovare una correlazione tra l’evoluzione della microrugosità del contatto tra pseudotachilite e roccia incassante con la potenza frizionale dissipata; in laboratorio, con la potenza misurata durante gli esperimenti, in natura con i diversi domini strutturali: puramente tensionali (nessuna potenza frizionale dissipata), estensionale (bassa potenza), neutrale (media potenza) e compressionale (alta potenza dissipata). Infatti, modelli teorici (Nielsen et al., 2010) prevedono che la microrugosità decresca all’aumentare della potenza frizionale dissipata su di una faglia. Per misurare la microrugosità, abbiamo tracciato i profili del contatto pseudotachilite-roccia incassante (naturali e sperimentali) da immagini raccolte al microscopio ottico e al microscopio a scansione elettronica. Con uno script di MatLab abbiamo quantificato la microrugosità mediante due parametri, l’altezza caratteristica delle asperità ( 0) e il raggio medio caratteristico di curvatura delle sfere che riproducono le asperità ( ave). I dati raccolti mostrano che nelle pseudotachiliti sperimentali, 0 decresce con la potenza dissipata e che nelle pseudotachiliti naturali, 0 decresce passando da un dominio strutturale puramente tensionale ad un dominio strutturale compressionale. Ma 0 è da 3 a 10 volte più grande nelle pseudotachiliti naturali rispetto a quelle sperimentali. Una possibile spiegazione di questa discrepanza è che la rugosità delle faglie naturali prima dello scivolamento sismico, è circa un ordine di grandezza maggiore, a parità di lunghezza di faglia parallelamente al vettore spostamento (ca. 150 mm), dei campioni sperimentali. Questa discrepanza, dovuta alla rugosità acquisita dalle faglie naturali durante la loro evoluzione e che non può essere riprodotta in laboratorio, impedisce al momento attuale l’estrapolazione dei dati sperimentali in natura e di quantificare la potenza dissipata nelle faglie naturali. Benché questi dati preliminari siano estremamente promettenti, è necessario un ulteriore studio teorico e sperimentale per ottenere una stima quantitativa delle potenze frizionali dissipate durante antichi eventi sismici a profondità sismogenetiche.