Apparati: 1) Triassiali. 2) Rotativi. 3) Biassiali. 4) Biassiali con cella di confinamento

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1 Apparati: 1) Triassiali 2) Rotativi 3) Biassiali 4) Biassiali con cella di confinamento OSS: in questo modulo andremo a illustrare il funzionamento dei diversi tipi di apparati di meccanica delle rocce sopra presentati e vedremo come questi macchinari sono stati utilizzati per migliorare le conoscenze sulla fisica delle rocce e meglio comprendere alcuni processi naturali come lo sviluppo di fratture, le eruzioni vulcaniche, i terremoti.

2 1) Apparati Triassiali La pressione di confinamento è applicata mediante olio per confinamento; La forza verticale è applicata mediante un pistone servocontrollato e collegato ad un motore; il campione è posto all interno di un giacchetto e sigillato mediante O-rings; il flusso di fluido all interno del campione è controllato da due intensificatori. Apparato triassiale presso l Università di Liverpool Pressure vessel Confining pressure gauge Pore pressure gauge Pore fluid and axial load controllers Transducer amplifiers Control PC Pore pressure generator Axial loading system

3 A seconda della relazione tra sforzo e deformazione/pressione di confinamento, si hanno diversi comportamenti. Quando la relazione sforzo e deformazione è lineare (pressure sensitive) si ha un modo di deformarsi fragile con deformazione localizzata e stress drop. Quando la relazione tra sforzo e deformazione/pressione di confinamento è (pressure insensitive) si ha un modo di deformarsi duttile con deformazione distribuita e assenza di stress drop. OSS: vari tipi di meccanismi deformativi possono produrre un modo di deformarsi duttile ed i fattori che influenzano lo sviluppo di un meccanismo rispetto ad un altro sono funzione di (T, velocità di deformazione, pressione di confinamento, presenza di fluidi).

4 Esperimenti di laboratorio condotti in apparato triassiale su anidriti sottoposte a pressione di confinamento (Pc) costante e pari a 100 MPa, a diversi valori della pressione dei fluidi (Pf), risultante in diversi valori della pressione effettiva (Pe = Pc-Pf). Partendo da queste condizioni al contorno il campione viene deformato, aumentando il carico assiale (ovvero lo sforzo differenziale). De Paola et al., JGR, 2009 Pe = 10 MPa Pe = 20 MPa Pe = 40 MPa Il modo di deformarsi è controllato dalla pressione effettiva, minore è Pe (ovvero più alta è Pf) più il comportamento è fragile. Brittle Ductile Ductile La strength del campione (massimo sforzo sostenibile) è controllata dalla grain-size e dall orientazione della foliazione.

5 Per il comportamento fragile, le microstrutture evidenziano una deformazione localizzata lungo la zona di faglia con gouge di faglia che si forma durante lo stress drop. Questa frattura fa aumentare esponenzialmente la permeabilità durante la rottura (fracture permeability) vedi modulo 5. Per il comportamento duttile si ha una deformazione distribuita su tutto il campione con zone di flusso cataclastico e deformazione per twinning. La tortuosità del sistema di percolazione renderebbe la permeabilità bassa anche all aumentare della deformazione, vedi modulo 5

6 Durante gli esperimenti di deformazione, si possono installare degli strumenti che misurano le emissioni acustiche (AE), vedi modulo 2. Le AE rappresentano dei microterremoti associati alle microfratture che si sviluppano durante la deformazione del campione. Questa tecnica è molto importante perché permette di monitorare l evoluzione delle fratture e delle strutture durante la deformazione. Apparato triassiale presso UCL, Londra Samples: 40mm x 100mm PZT AE transducers (12) Pore-pressure inlet and outlet Co-axial cables to AE system Benson et al GRL, 2007

7 Tasso di emissioni acustiche, AE, durante l esperimento e localizzazione delle stesse (puntini verdi) durante la rottura di un campione. Benson et al GRL, 2007 Si stanno investigando i processi che avvengono durante questo intervallo dell esperimento.

8 Apparato triassiale Paterson, con pressione di confinamento (gas) 300 MPa e T=1200 C. Studi sperimentali sulla sismicità che precede le eruzioni vulcaniche. Burlini et al., Geology, Viene aumentata la T a 20 C/min fino a 1200 C con fusione del MORB basalt. Vengono misurate Vp. Notare il forte decremento di Vp e la forte attenuazione delle onde all aumentare della T a causa della fusione del MORB.

9 Inizialmente si hanno sporadiche AE, con relativa alta frequenza e energia durante la fase di riscaldamento. La spiegazione più probabile è un crack termico causato dall espansione anisotropa dell olivina. Superata la T di fusione si hanno pochi eventi ad alta frequenza seguiti da eventi a più bassa frequenza di lunga durata e di ampiezza minore e costante. L analisi microstrutturale a fine esperimento evidenzia la migrazione del magma basaltico all interno dei micro-cracks dell olivina. Apertura delle fratture = eventi ad alta frequenza, Segnale a bassa frequenza ed armonico = migrazione del magma nelle fratture.

10 2) Apparati Rotativi a) ad alta velocità b) ad alta pressione e temperatura c) condizioni idrotermali

11 a) ad alta velocità (Roma, Padova, Durham, China, Giappone, Stati uniti) SHIVA in INGV Velocità di scivolamento fino a 9 m/s Accelerazione 40 m/s 2 Sforzo normale 50 MPa

12 Evidenze sperimentali di lubrificazione a seguito di processi di fusione prodotti dai terremoti I dati meccanici di questo esperimento, condotto a sforzo nomale costante e pari a 15 MPa, mostrano che per alte velocità di scivolamento (1.2 m/s) si ha una forte diminuzione dello sforzo di taglio. Durante l esperimento la roccia di partenza (granito) fonde in seguito al calore prodotto per attrito. Di Toro et al., Science, Esperimenti condotti a Kyoto, JP.

13 Riportando i dati di sforzo di taglio al valore di steady state, ovvero dopo il weakening, e sforzo normale, si nota che questi si dispongono lungo una retta con coefficiente angolare di 0.05 ovvero molto, molto minore rispetto ai valori di Byerlee. Da questi dati si è potuto dimostrare che i fusi prodotti per attrito (a velocità paragonabili a quello di scivolamento di una faglia durante un terremoto) sono un valido meccanismo di lubrificazione delle faglie (facilitano la propagazione di un terremoto lungo la faglia). Di Toro et al., Science, 2006.

14 b) Ad alta temperatura P. es. presso l ETH di Zurigo. Il campione è messo in un apparato con Confining pressure:0 500 MPa; Pore pressure:0 400 MPa; Temperature: K; Shear strain rate: s -1 ; shear strain γ: 0 50.

15 In questo esperimento condotto su di un campione di marmo di Carrara si nota come: lo strength (massimo shear stress registrato durante l esperimento) è inversamente proporzionale alla temperatura. lo strength (all interno di un determinato intervallo di temperatura) è direttamente proporzionale allo shear strain rate Hardening Onset of weakening shear strain rates: s s -1 Shear stress (MPa) Weakening End of weakening 40 0 Steady - state 500 C 600 C 727 C Shear strain (γ)

16 c) condizioni idrotermali p.es. Hydrothermal Ring Shear Machine (Utrecht). Questo tipo di apparato è importante per studiare l evoluzione microstrutturale e delle proprietà meccaniche di rocce di faglia caratterizzate da processi di dissoluzione e riprecipitazione. Specifications σ n effective 300 MPa P f 300 MPa (H 2 0 P-medium) T 700 C (int. heated) V = 1 nm/s 15 µm/s. Gouge thickness mm Slip on mica foliation + pressure solution of intervening clasts (NaCl)

17 In questi esperimenti si nota uno strain weakening in presenza di gouge ricco in fillosilicati (in questo esempio Kaolinite). In assenza di fillosilicati non si ha strain weakening. Normal stress s n = 5 MPa, shear strain rate 3E-4 s -1 NaCl+brine NaCl+kaolinite+brine Bos and Spiers (2001 JGR, 2002 JSG)

18 Durante l esperimento con strain weakening è stata studiata l evoluzione delle microstrutture e si è visto che il weakening si innesca quando la microstruttura evolve da cataclasite (random fabric) a roccia foliata (fabric ordinato con piani preferenziali di scivolamento), con microstruttura SCC Bos and Spiers (2001 JGR, 2002 JSG)

19 1 Brittle/frictional stage γ= µm 2 γ=7 Strain weakening stage

20 3 500 µm 4 γ=30 γ=100

21 3) Biassiali Kyoto, Giappone Penn State University Columbia University Scholz, 1972 USGS Menlo Park Blocco superiore 1.5 m, inferiore 2 m. National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention in Japan INGV

22 Ciclo sismico e comportamento stick-slip Un ciclo sismico è l intervallo di tempo che intercorre tra l enucleazione di un terremoto e l evento successivo sulla stessa faglia. OSS: alcuni cicli sismici possono durare anche migliaia di anni. Fronti d onda

23 I primi esperimenti di laboratorio a supporto della teoria del rimbalzo elastico e dello stick & slip. (Brace & Byerlee 1966, Science).

24 Esperimenti di stick & slip, oggi. Vertical force Horizontal force

25 Esperimenti di stick & slip oggi.

26 Esperimenti di stick & slip oggi. Notare l evoluzione della velocità di scivolamento della faglia sperimentale durante i cicli sismici: nonostante il blocco verticale avanzi con una velocità costante di 10 micron/s, la velocità della faglia sperimentale è zero durante la fase intersismica (fase di stick) e raggiunge repentinamente valori di 2000 micron/s durante lo stress drop (fase di slip). velocity micron/s

27 Effetti di perturbazioni acustiche sul comportamento stick-slip di materiali granulari ed implicazioni per i terremoti Johnson et al., Nature, Viene usato un approccio sperimentale per vedere se le piccole deformazioni prodotte dal passaggio di onde acustiche generate da terremoti enucleatisi a grandi distanze possono cambiare i tempi di ricorrenza di una faglia con stick-slip. Gli esperimenti sono condotti su palline di vetro che hanno un comportamento stick-slip. Questo comportamento varia in funzione di: velocità di deformazione, sforzo normale, spessore faglia sperimentale e umidità relativa. Comunque per condizioni al contorno fisse, gli stick & slip sono costanti. In questi esperimenti si utilizza una sorgente di onde acustiche per vedere se queste possono perturbare gli stick & slip.

28 Terremoti di piccola M, corrispondenti a aftershocks innescati, si sviluppano quando la perturbazione acustica supera alcuni microstrain. Le vibrazioni inoltre distruggono la periodicità degli intervalli di ricorrenza dei terremoti e possono contribuire alla complessità dei tempi di ricorrenza dei terremoti comunemente osservata.

29 4) Biassiali con cella di confinamento Penn State University, US OSS: questi apparati sono utilizzati per studiare le proprietà dell attrito a diverse pressioni di confinamento e pressione dei fluidi e per caratterizzare la permeabilità delle zone di faglia. Studi ed esperimenti specifici con questi apparati verranno presentati nei moduli 4 e 5.