Seismogenic carbonate-built normal faults: structure and deformation processes

Carbonate-built rocks are a widely recurrent lithology often involved in most of the present seismicity occurring in densely populated areas, such as the circum-Mediterranean area (e.g., L’Aquila 2009, MW 6.1; Amatrice 2016, MW 6.5). Earthquake and fault mechanics is controlled by several properties that are distributed over a wide range of scales, spanning from the tens of kilometers to the nanoscale. In this thesis, we propose to study the architecture and the rocks of an exhumed fault zone cutting carbonates (mainly dolostones and limestones) to investigate the fault-related deformation processes that can be active during the seismic cycle. Therefore, we used a multidisciplinary approach that included (i) detailed structural field surveys (including systematic rock sample collection), (ii) construction of digital outcrop models of fault zones, (iii) rock deformation experiments (i.e., rotary-shear experiments on gouges), (iv) microstructural and mineralogical investigations of natural and experimental fault products (optical- and scanning electron microscopy, X-ray energy dispersive spectroscopy, electron backscatter diffraction, EBSD, transmission Kikuchi diffraction, TKD). As a case study for the field investigation, we selected the seismically active fault zone outcropping within carbonates in the Central Italian Apennines, namely the Vado di Corno Fault Zone (VCFZ), exhumed from < 3 km depth. The fault zone consists of a quite complicated network of faults and fractures and of a large variety of fault rocks (foliated cataclasites, gouges, in-situ shattered rocks, sheared veins, etc.). Based on the field description of the fault and fracture network and of the distribution of fault zone rocks, we suggested that the internal structure of the VCFZ strongly resembles the buried structures associated to the seismic sequences in the Central Apennines and highlighted by high resolution hypocentral distributions obtained from seismic inversion studies (e.g., L’Aquila 2009, MW 6.1; Amatrice 2016, MW 6.5). In particular, foreshocks, main shocks and especially aftershocks re-activate (mainly as low-angle normal faults) the inherited fault structures formed from compression during the Miocene-Pliocene and the high-angle normal faults associated to the present extension occurring in the mountain belt. Motivated by their common occurrence in the fault network of the VCFZ, we investigated the frictional behavior and microstructural evolution of gouges composed of mixtures of calcite-dolomite. We performed low- to high velocity rotary-shear friction experiments (V = 30 µms-1 – 1 ms-1) over a wide range of displacements (0.05-0.4 m), normal loads (17.5-26 MPa), deformation conditions (room-humidity vs. water-dampened) and slip histories (single slide vs. slide-hold-slide). Most of these experimental conditions reproduced the deformation conditions occurred in the VCFZ. The development of a well-defined foliation in the gouge layers occurred only in the experiments performed at slip rates of 1 ms-1 and under room-humidity conditions. Consistent with previous studies, our observations support the notion that foliated gouges and cataclasites, especially in the absence of clay minerals in the matrix, may form during seismic slip in natural carbonate-bearing faults. Further work was focused on the investigation, especially by means of EBSD analysis, of the physical processes associated to strain accommodation both in the slip zones (composed by aggregates of nanoparticles, grain size 20-2000 nm) and in the nearby and less deformed gouge layers of the experimentally sheared calcite-dolomite mixtures. This resulted in the surprising finding of the development of a crystallographic preferred orientation (CPO) in calcite in the less deformed gouges when sheared in the purely brittle regime (i.e., max T < 30 °C). Here, the formation of a CPO was suggested to be controlled by the strong anisotropy in calcite (cleavage planes), mechanical grain rotation towards the direction of the maximum compressive stress and subsequent fracturing. Moreover, the large differential stresses (ca. 170 MPa) estimated through calcite twin paleopiezometry were interpreted as a record of the local stress (force chains) carried by grain bridges during shearing. The analysis of the experimental slip zones of calcite-dolomite gouge mixtures slid at seismic slip rate (i.e., 1 ms-1) was carried out by the application of the novel micro-analytical technique, the TKD (this is one of the very first applications to geological materials). The main advantages of the TKD compared to standard techniques used to determine CPO in rocks, is the high spatial resolution (in our case we could use an analysis step size as small as 20 nm) and the large number of data collected, which allowed us to obtain a statistically significant CPO dataset. The presence of a very weak CPO in the nano-grains organized in a characteristic foam texture in the slip zone suggested that the main deformation mechanism during seismic slip was grain boundary sliding aided by diffusion creep. In conclusion, based on the field, experimental and microstructural evidence reported in the thesis, earthquakes occurring in the shallow crust made of carbonate-built rocks are the result of a combination of elasto-frictional ("brittle") but especially viscous-plastic ("ductile") micro-processes.

Le rocce carbonatiche sono spesso interessate dall’attività sismica che caratterizza zone densamente popolate, come l’area Mediterranea (e.g., il terremoto de L’Aquila, 2009, MW 6.1, e il più recente terremoto di Amatrice, 2016, MW 6.5). La meccanica dei terremoti e delle faglie è controllata da una serie di proprietà geometriche e fisico-chimiche distribuite su una scala che si estende dalle decine di kilometri ai nanometri. L’obiettivo di questa tesi è di studiare l’architettura e le rocce di una zona di faglia esumata per individuare i processi deformativi che controllano il ciclo sismico nelle rocce carbonatiche (principalmente dolomie e calcari). A questo fine abbiamo adoperato un approccio multidisciplinare che ha compreso (i) rilievi geologico-strutturali di terreno (e relativo campionamento sistematico delle rocce di faglia), (ii) la costruzione di modelli digitali della zona di faglia, (iii) esperimenti di tipo rotary su polveri, e (iv) l’analisi microstrutturale e mineralogica dei prodotti di faglia naturali e sperimentali tramite l’utilizzo di microscopia ottica ed elettronica a scansione, spettroscopia EDX, diffrazione da elettroni retrodiffusi (EBSD) e diffrazione Kikuchi in trasmissione (TKD) elettronica. Per il caso di terreno, abbiamo selezionato la zona di faglia di Vado di Corno (VCFZ) che è splendidamente esposta all’interno di carbonati dell’Appennino Centrale (Campo Imperatore, massiccio del Gran Sasso, Abruzzo), è sismicamente attiva ed è stata esumata da < 3 km di profondità. La zona di faglia si compone di un sistema articolato di faglie e fratture, e comprende una grande varietà di rocce di faglia (cataclasiti foliate, gouge, rocce frantumate in-situ, vene deformate in taglio, etc.). Sulla base delle evidenze di terreno del sistema di faglie e fratture e della distribuzione delle rocce di faglia, abbiamo interpretato la struttura della VCFZ come un analogo esumato delle strutture sepolte associate all’attività sismica negli Appennini Centrali. Queste ultime sono state "illuminate" dalla distribuzione ad alta risoluzione degli ipocentri (errori di localizzazione spesso inferiori ai 20 m e quindi comparabili con le osservazioni di terreno) grazie a studi di inversione sismica (e.g., L’Aquila 2009, MW 6.1; Amatrice 2016, MW 6.5). In particolare, eventi precursori, la scossa principale, e quelle successive, riattivano, come piani a basso angolo, il sistema di faglie ereditate dalla compressione Miocenico-Pliocenica, e soprattutto le faglie ad alto angolo associate con l’estensione Pleistocenica-attuale della catena Appenninica. Motivati dalla loro presenza nel sistema di faglie della VCFZ, abbiamo studiato le proprietà frizionali e l’evoluzione microstrutturale di polveri composte da una mistura di calcite e dolomite. Abbiamo condotto esperimenti da basse- ad alte velocità di scivolamento (V = 30 µms-1 – 1 ms-1) per una varietà di rigetti (0.05-0.4 m), sforzi normali (17.5-26 MPa), condizioni di deformazione (umidità ambiente e presenza d’acqua) e storia di deformazione (esperimenti di tipo single slide e slide-hold-slide). La maggior parte delle condizioni sperimentali imposte hanno riprodotto condizioni deformative occorse nella VCFZ. In particolare, la formazione di una foliazione ben definita nei livelli di gouge è stata osservata solamente negli esperimenti eseguiti ad umidità ambiente e ad una velocità di 1 ms-1. In accordo con studi precedenti, le nostre osservazioni supportano l’interpretazione che gouge e cataclasiti foliate, in particolar modo se in assenza di minerali delle argille nella matrice, possono formarsi durante la deformazione cosismica in faglie in carbonati. Il lavoro successivo si è quindi focalizzato nello studio microstrutturale, specialmente mediante analisi EBSD, di faglie sperimentali composte da misture di calcite e dolomite per individuare i processi fisici associati alla intensa localizzazione della deformazione nelle zone di scivolamento (spessori < 0.1 mm) composte da aggregati di nanoparticelle con una granulometria compresa tra 20 e 2000 nm, che nel gouge adiacente e meno deformato (spessori ca. 2 mm). Un risultato sorprendente di questa analisi è stata la scoperta dello sviluppo di un’orientazione cristallografica preferenziale (CPO) nei granuli di calcite presenti nei livelli meno deformati. Infatti la mistura è stata deformata per taglio semplice in regime puramente fragile (massima temperatura < 30 °C). La formazione di una CPO è interpretata come conseguenza della forte anisotropia strutturale tipica della calcite (piani di clivaggio). Durante lo scivolamento per taglio, la rotazione meccanica dei grani fa sì che i piani di clivaggio risultino progressivamente circa paralleli alla direzione di massima compressione, comportando il cedimento fragile (fratturazione) del clasto. Inoltre, le alte stime di sforzo differenziale (ca. 170 MPa), ottenute attraverso il paleopiezometro per i geminati nella calcite, sono state interpretate come un’indicazione degli elevati sforzi locali (force chains) sperimentati dai grani durante la deformazione per taglio fino al cedimento per fratturazione. L’analisi della zona di scivolamento (intensa localizzazione della deformazione) in polveri miste di calcite-dolomite deformate a velocità cosismiche (1 ms-1) è stata effettuata tramite l’applicazione di una tecnica micro-analitica innovativa, la TKD (quella presentata nella tesi è stata una delle prime applicazioni di questa tecnica su materiali geologici). Il vantaggio principale nell’uso della TKD rispetto alle tecniche frequentemente impiegate per determinare la CPO nelle rocce, come l’EBSD, è l’alta risoluzione spaziale (nel nostro caso siamo riusciti ad usare un passo di campionamento fino a 20 nm) e la grande quantità di dati raccolta, statisticamente significativa per l’analisi della CPO rispetto, per esempio, all'impiego di microscopi a trasmissione elettronica. La presenza di una CPO molto debole negli aggregati nanometrici di calcite, organizzati in una caratteristica microstruttura “a schiuma”, suggerisce che il principale meccanismo di deformazione durante la deformazione cosismica era grain boundary sliding assistito da meccanismi diffusivi. In conclusione, sulla base delle evidenze di terreno, sperimentali e microstrutturali riportate nella tesi, i terremoti che occorrono della crosta superficiale caratterizzata dalla presenza di rocce carbonatiche sono il risultato di una combinazione di micro-processi elastico-frizionali (“fragili”) ma specialmente visco-plastici (“duttili”).