Deformation processes in carbonate-built faults during seismic slip

Earthquake ruptures often nucleate and propagate in carbonate-built terrains. This thesis investigates the mechanical behavior and microstructural/mineralogical evolution of carbonate faults during seismic slip in the presence of pressurized 〖CO〗_2 and Argon (Ar). Using the SHIVA rotary shear apparatus, Carrara marble samples were subjected to high-velocity friction experiments to simulate natural seismic faulting conditions (e.g., slip rates of 6 m/s). The study aimed to understand how different gases influence fault mechanics, mineral transformations, and deformation mechanisms within the fault slip zone. Compared to the experiment performed in pressurized Ar, the experiments conducted in pressurized CO₂ exhibited a lower peak friction coefficient and faster fault weakening, suggesting that CO₂ facilitates fault slip initiation. However, once the friction coefficient decays towards a minimum or steady-state condition, the frictional strength is negligible independently of the environmental conditions. The striking difference between the experiments performed in pressurized Ar and CO₂, is, in the latter case, the formation of a continuous < 0.3 mm thick visible black layer made of graphite or amorphous carbon (micro-Raman analysis). Detailed SEM, cathodoluminescence, and EDS analyses of the samples recovered from the CO₂ and Ar experiments did not reveal significant microstructural differences within the slip zones. They are both < 0.1 mm thick and include ~ 1 m in size particles of graphite wrapped by a continuous matrix made of sub-micron-in-size calcite grains. Instead, the micro-Raman investigation revealed the abundant presence of graphite/amorphous carbon on the slip surface of the experiment performed in pressurized CO₂. The identification of graphite is noteworthy as it may act as a solid lubricant especially at slip initiation, contributing to lowering the fault frictional strength in the experiments performed under pressurized CO₂. However, most of the observed graphite/amorphous carbon probably precipitated in a reduced environment (pressurized CO₂) during the late stages of seismic slip and subsequent cooling. As a consequence, environmental conditions (this thesis: pressurized CO₂ or Ar; previous works: room humidity, vacuum, or pressurized H_2 O, Violay et al., 2014) contribute significantly to the evolution of fault frictional strength at the beginning of seismic slip. However, once seismic slip increases, the external environmental conditions have a limited role in controlling fault friction. In fact, the extremely low friction coefficient (or coseismic fault strength) is the result of temperature- and grain-size-dependent processes activated in the calcite-rich slipping zone. At this stage, the fault slip zone is a closed system and the “external” environmental conditions (presence of H_2 O, CO_2, Ar, etc.) are irrelevant to the activation of particular deformation mechanisms. Instead, the “external” environmental conditions contribute to the particular mineral assemblage or amorphous phases that form during seismic slip deceleration and cooling after the slip event.

Le rotture sismiche spesso enucleano e si propagano in formazioni carbonatiche. Questa tesi indaga il comportamento meccanico e l'evoluzione microstrutturale/mineralogica delle faglie carbonatiche durante lo scivolamento cosismico in presenza di CO_2 e Argon (Ar) pressurizzati. Utilizzando l'apparato sperimentale SHIVA, campioni di marmo di Carrara sono stati sottoposti a esperimenti di attrito ad alta velocità per simulare le condizioni naturali di fagliazione sismica (ad esempio, velocità di slittamento di 9 m/s). La tesi mira a comprendere come i diversi gas influenzino la meccanica della faglia, le trasformazioni dei minerali e i meccanismi di deformazione all'interno della zona di scivolamento della faglia. Rispetto all'esperimento condotto in Ar pressurizzato, gli esperimenti effettuati in CO_2 pressurizzata hanno mostrato all’inizio dello scivolamento un coefficiente di attrito di picco più basso e un indebolimento più rapido della faglia, suggerendo che la CO_2 facilita l'innesco dell’instabilità della faglia. Tuttavia, una volta che il coefficiente di attrito decade verso una condizione di minimo o di stato stazionario, esso è trascurabile indipendentemente dalle condizioni ambientali. La differenza più evidente tra gli esperimenti condotti in Ar pressurizzato e CO_2 è la formazione, in quest’ultimo caso, di uno strato nero e continuo di spessore < 0,3 mm costituito da grafite o carbonio amorfo (analisi micro-Raman). Le analisi al SEM, alla catodoluminescenza e all'EDS delle zone di scivolamento degli esperimenti con CO_2 e Ar hanno mostrato che queste hanno spessore < 0,1 mm e comprendono particelle di grafite di dimensioni di ~ 1 m avvolte da una matrice continua costituita da grani di calcite di dimensioni inferiori al micron. L'indagine micro-Raman ha invece rivelato l'abbondante presenza di grafite/carbonio amorfo sulla superficie di scivolamento dell'esperimento eseguito in CO_2 pressurizzata. L'identificazione della grafite è degna di nota in quanto potrebbe agire come lubrificante solido, soprattutto all'inizio dello scivolamento sismico, contribuendo a ridurre la forza di attrito della faglia negli esperimenti effettuati in CO_2 pressurizzata. Tuttavia, la maggior parte della grafite/carbonio amorfo osservato è probabilmente precipitato in un ambiente riducente (CO_2 pressurizzata) durante le ultime fasi dello scivolamento sismico e il successivo raffreddamento. Di conseguenza, le condizioni ambientali (questa tesi: CO_2 o Ar pressurizzati; studi precedenti: umidità atmosferica, vuoto o H_2 O pressurizzata, Violay et al., 2014) contribuiscono in modo significativo all'evoluzione della resistenza di attrito della faglia all'inizio dello scivolamento sismico. Tuttavia, superata la fase iniziale di scivolamento, le condizioni ambientali esterne hanno un ruolo limitato nel controllo dell'attrito della faglia. Infatti, il coefficiente di attrito cosismico estremamente basso è il risultato di processi deformativi dipendenti dalla temperatura e dalla granulometria attivati nella zona di scivolamento ricca in calcite. In questa fase, la zona di scivolamento della faglia è un sistema chiuso e le condizioni ambientali “esterne” (presenza di H_2 O, CO_2, Ar, ecc.) sono irrilevanti per l'attivazione di particolari meccanismi deformativi. Invece, le condizioni ambientali “esterne” contribuiscono alla particolare associazione di minerali e fasi amorfe che si formano alla fine dello scivolamento sismico e durante il successivo raffreddamento.