Structure, evolution and deformation mechanisms of crustal-scale seismogenic faults (Bolfin Fault Zone, Northern Chile)

Earthquakes are among the deadliest natural disasters causing, causalities for >50000 people for year and tens of billions of euros of damage in the XXI century. Among the many factors controlling earthquake mechanics, the three-dimensional architecture (i.e., geometry, topology and spatial distribution of fault networks and fault-related damage) of fault systems and fluids contribute to the seismic vs. aseismic behavior of faults. However, crustal faults (i.e., capable to generate >6.0 MW earthquakes) are hardly well exposed at the Earth’s surface. In turn, little is known about their architecture and spatio-temporal evolution. In this thesis, I studied the Bolfin Fault Zone (BFZ), a crustal-scale Early Cretaceous strike-slip fault exceptionally exposed over more than 40 km in the Atacama Desert (Northern Chile). Specifically, I focused on the (i) structural evolution and along-strike architectural variability of the fault, and (ii) the deformation and ambient conditions (including fluid-rock interaction) during fault activity. The BFZ is arranged into three main segments and has a sinuous crustal-scale geometry cutting through Jurassic to Early Cretaceous diorite and tonalite-granodiorite plutons. Ancient (125-118 Ma) seismic faulting, documented by pseudotachylytes, occurred at 5-7 km depth and ≤ 300 °C in a fluid-rich environment as recorded by extensive propylitic alteration and epidote-chlorite(-quartz-calcite) veining. The sinuous crustal-scale geometry of the BFZ resulted from (i) exploitation of precursory geometrical anisotropies (i.e., magmatic foliation of plutons and dyke swarms) during fault nucleation and (ii) hard linkage of these anisotropy-pinned fault segments, through splay faults, during fault growth. Overall, the BFZ architecture consists of hydrothermally altered multiple fault core strands, presenting pseudotachylytes, enveloped within a hydrothermally altered damage zone, which includes clusters of epidote-rich fault-vein networks and dilational breccias occurring at fault intersections and linkages. By comparison with active crustal fault zones, the pseudotachylyte-bearing fault network and extensive epidote-rich fault-vein networks were associated with mainshock-aftershocks and swarm-like earthquake sequences, respectively. Hydrogen isotope geochemistry indicates that pseudotachylytes formed in a rock-buffered environment, characterized by limited and local fluid circulation. Instead, the later fluid-driven seismicity attested by the hydrothermal fault-vein network was controlled by the ingression of superficial fluids in a more mature, hydraulically connected, upper-crustal hydrothermal system. In conclusion, the BFZ represents an exhumed analogue of crustal seismogenic volume, capable to have generated mainshock-aftershocks and later swarm-like earthquake sequences. The transition in the type of seismic activity was controlled by the fault architecture and the geochemical environment.

I terremoti sono tra i più letali disastri naturali causando più di 50000 vittime all'anno e decine di miliardi di euro di danni nel XXI secolo. Tra i molti fattori che controllano la meccanica dei terremoti, l'architettura tridimensionale (cioè la geometria, topologia e distribuzione spaziale del network di faglie e il danneggiamento associato alle faglie) dei sistemi di faglia e i fluidi contribuiscono a controllare il comportamento sismico vs. asismico delle faglie. Tuttavia, le faglie crostali (cioè in grado di generare terremoti >6.0 MW) sono difficilmente ben esposte sulla superficie terrestre. Per questo motivo, conosciamo poco la loro architettura e la loro evoluzione spazio-temporale. In questa tesi, ho studiato la Faglia Bolfin (o Bolfin Fault Zone, BFZ). E’ una faglia trascorrente a scala crostale del Cretaceo Inferiore eccezionalmente esposta per oltre 40 km nel deserto di Atacama (Cile settentrionale). Nello specifico, ho studiato (i) l'evoluzione strutturale, e (ii) la variabilità architetturale della faglia lungo strike, e (ii) le condizioni deformative e ambientali (compresa l'interazione fluido-roccia) durante l'attività della faglia. La BFZ è composta di tre segmenti principali, ha una geometria sinuosa a scala crostale che taglia plutoni dioritici e tonalitici-granodioritici del Giurassico-Cretaceo Inferiore. La antica sismicità (125-118 Ma), documentata da pseudotachiliti, è avvenuta a 5-7 km di profondità e ≤ 300 °C in un ambiente ricco di fluidi come documentato da un'estesa alterazione propillitica e vene di epidoto-clorite(-quarzo-calcite). La geometria sinuosa a scala crostale della BFZ è il risultato di (i) sfruttamento di anisotropie geometriche (cioè foliazione magmatica di plutoni e sciami di dicchi) durante la nucleazione della faglia e (ii) connessione di questi segmenti di faglia vincolati dalle anisotrope, attraverso faglie di tipo splay, durante la crescita della faglia. Nel complesso, l'architettura della BFZ è costituita da nuclei di faglia multipli e alterati idrotermalmente, che presentano pseudotachiliti, inclusi all'interno di una zona di danneggiamento alterata idrotermalmente, che include network di vene-faglie mineralizzate a epidoto e brecce dilatanti che si trovano in corrispondenza di intersezioni e connessioni di faglia. Comparando la BFZ con faglie crostali sismicamente attive, il network di faglie a pseudotachiliti e l’esteso network di vene-faglie mineralizzate a epidoti sono associate rispettivamente a terremoti mainshock-aftershock (i) e sciami sismici. La geochimica degli isotopi dell'idrogeno indica che le pseudotachiliti si sono formate in un ambiente tamponato dalle rocce incassanti, caratterizzato da una circolazione limitata e locale di fluido. Invece, la successiva sismicità guidata da a fluidi attestata dal network di vene-faglie idrotermali è stata controllata dall'ingresso di fluidi superficiali in un sistema idrotermale più maturo e collegato idraulicamente. In conclusione, la BFZ rappresenta un analogo esumato del volume sismogenico crostale, in grado di aver generato terremoti mainshock-aftershock, e successivi sciami sismici. La transizione del tipo di attività sismica era controllata dall'architettura della faglia e dall'ambiente geochimico.