Reactivated fault zones: kinematic complexity and fault rock spectral characterization

In the present work three main factors contributing to the overall complexity of reactivated fault zones have been investigated: i) the problematic reconstruction of polyphase brittle tectonic evolution accommodated by fault zones dissecting lithologically heterogeneous rock domains; ii) the estimate of the mechanical anisotropy associated with pre-existing planar discontinuities (i.e., metamorphic foliations and inherited faults) steering their brittle reactivation process; iii) the spectral characterization of fault zone rocks in complex fault architectures aimed at inferring the distribution of fault zone domains by means of remote sensing techniques. In order to achieve the goal of improving current understanding of these factors defining reactivated fault zone complexity, different methodologies have been applied: i) a paleostress inversion analysis that carefully considers each analyzed fault zones and the different mechanical behavior of the lithological domains they deform; ii) a bootstrapping statistical approach aimed at evaluating the homogeneity between the resulting stress tensors and identifying possible local stress perturbations; iii) a normalised slip tendency analysis that, integrated with paleostress reconstructions and detailed meso- and micro-structural observations, allows constraining the mechanical properties of pre-existing planar discontinuities; iv) a spectral features analysis of fault zone rock reflectance spectra, aimed at highlighting the correlation between variations in fault rock spectral signatures and grain size reduction related to fault comminution processes. The main results of this work highlighted that: i) polyphase brittle tectonics within lithologically heterogeneous rock domains can be efficiently unrevealed by applying a paleostress inversion combined with bootstrapping statistical analysis of the resulting reduced stress tensors; ii) normalised slip tendency analysis can be considered a reliable method to investigate and constrain the weakness of pre-existing anisotropies at a regional scale (104-103 m); iii) the grain size reduction resulting from fault-related comminution processes on mineralogically homogenous bedrocks (carbonates in this case) influences the spectral signatures of fault rock samples, which absorption feature parameters vary systematically with the grain size in the VNIR and SWIR wavelength ranges; iv) consequently, remote sensing analysis, based on fault rock reflectance spectrum variabilities due to comminution processes, has a good potential in the identification of the spatial distribution and extent of fault core and damage zone domains (i.e., characterized by different grain sizes) on mineralogically homogenous bedrocks (carbonates in this case).

Nel presente lavoro sono stati investigati tre fattori che contribuiscono alla definizione della complessità delle zone di faglia riattivate: i) la ricostruzione dell’evoluzione tettonica polifasica accomodata da zone di faglia che interessano litologie eterogenee; ii) la stima del grado di anisotropia meccanica associata alla presenza di discontinuità planari pre-esistenti (i.e., foliazioni metamorfiche e faglie), il quale influenza i meccanismi di riattivazione lungo tali piani; iii) la caratterizzazione spettrale delle rocce di faglia, finalizzata all’ identificazione della distribuzione delle zone di danno e di core tramite tecniche di remote sensing, con particolare riguardo a zone di faglie mature aventi un’architettura complessa. Al fine di dare un nuovo contributo alla comprensione dei fattori che definiscono le complessità insite nelle zone di faglia riattivate, sono state applicate diverse metodologie che comprendono: i) l’inversione del campo di paleostress, applicata considerando il comportamento meccanico dei domini litologici interessati da ogni differente zona di faglia; ii) l’approccio statistico di tipo ‘bootstrapping’ applicato al fine di valutare l’omogeneità tra i tensori di stress ricavati e di identificare possibili perturbazioni locali del campo di paleostress; iii) la ‘normalised slip tendensy analysis’ che, integrata alla ricostruzione del campo di paleostress e ad una caratterizzazione di tipo micro- e meso-strutturale, permette di stimare quantitativamente le proprietà meccaniche di discontinuità planari pre-esistenti; iv) l’analisi delle bande di assorbimento osservate negli spettri di riflettenza di diverse rocce di faglia, al fine di evidenziare il rapporto esistente tra le variazioni osservate nei parametri spettrali e i processi di comminuzione dovuti all’evolversi della zona di faglia stessa. I principali risultati di questo lavoro evidenziano come: i) tettoniche polifasiche che si sviluppano in domini rocciosi altamente eterogenei possono essere efficacemente ricostruite applicando in maniera integrata l’inversione del campo di paleostress e l’analisi statistica di tipo ‘bootstrapping’; ii) la ‘normalised slip tendency analysis’ permette di investigare la debolezza di anisotropie pre-esistenti a scala regionale (104-103 m); iii) la riduzione granulometrica connessa ai processi di comminuzione dovuti all’evolversi di una zona di faglia in rocce incassanti omogenee dal punto di vista mineralogico (carbonati in questo caso) influenza la firma spettrale delle rocce di faglia, le cui bande di assorbimento hanno caratteristiche che variano sistematicamente con la diminuzione della granulometria; iv) di conseguenza, l’analisi in remoto, basata sugli effetti della comminuzione sulle firme spettrali delle rocce di faglia, dimostra un buon potenziale nell’identificazione della distribuzione spaziale delle zone di danno e di core di una faglia in rocce incassanti omogenee dal punto di vista mineralogico.