FRATTURE E FAGLIE - I

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1 CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE A.A Corso di GEOLOGIA STRUTTURALE Docente: Antonio Funedda E FAGLIE - I E FAGLIE Le fratture sono zone tabulari (con due dimensioni fortemente prevalenti), spesso descritte come superfici, che costituiscono una discontinuità nelle proprietà meccaniche delle rocce. Nomenclatura Il termine Frattura include : Faglie (fault) Giunti o Diaclasi (joint, giunti di estensione o fratture in s.s.) Clivaggio in vecchi testi (cleavage) Fessurazioni (fissure) Vene (vein) 1

2 Giunti o diaclasi: discontinuità lungo le quali un ammasso roccioso perde di continuità, senza che un blocco si muova rispetto all altro lungo la superficie di discontinutà (Fratture di Tipo I e Tipo IV), se la discontinuità è riempita di materiale si chiameranno vene. Faglie: discontinuità lungo le quali un ammasso roccioso perde di continuità, e un blocco si è mosso rispetto all altro (Tipo II e Tipo III). da Fossen, 2010 Orientazione dei vari tipi di frattura rispetto al campo degli sforzi principali oppure mode IV da Fossen,

3 GIUNTI FAGLIE Una roccia si frattura quando lo sforzo differenziale a cui è sottoposta è superiore alla sua resistenza alla deformazione 3

4 Una roccia si frattura quando lo sforzo differenziale a cui è sottoposta è superiore alla sua resistenza alla deformazione I criteri di rottura sono equazioni che permettono di definire sia lo stato di sforzo al punto di rottura, sia l orientazione delle fratture e quindi permettono di prevedere se un certo stato di sforzo causerà o meno la rottura e che tipi di fratture si svilupperanno. CRITERIO DI ROTTURA DI COULOMB (1773) c f resistenza al taglio coesione tan nf coefficiente d'attrito interno angolo d'attrito interno o di resistenza al taglio 4

5 CRITERIO DI ROTTURA DI COULOMB (1773) f c nf Quando lo stato di sforzo su una roccia è tale che su un piano con una certa orientazione le componenti dello sforzo soddisfano l'equazione, una frattura di taglio si svilupperà su quel piano Interpretazione fisica Per sviluppare un piano di taglio entro a un corpo devono essere superate due resistenze: 1. La coesione "c" è la resistenza alla fratturazione per taglio su un piano sul quale lo sforzo normale è nullo; è determinata dall attrazione intermolecolare, che va superata per creare la frattura. 2. La resistenza al movimento che è uguale alla componente dello sforzo normale sulla superficie al punto di rottura per il coefficiente di attrito interno del materiale. c e μ (coesione e coefficiente di attrito interno) sono due costanti caratteristiche di ciascun materiale che caratterizzano le proprietà del materiale portato a rottura; 5

6 LIMITI DEL CRITERIO DI ROTTURA DI COULOMB (1773) Il criterio di Coulomb non è applicabile con sforzi normali a trazione. Anche per sforzi normali compressivi il criterio non è esente da critiche: per le rocce l inviluppo sperimentale è sensibilmente curvo e per alti valori di pressione di confinamento si discosta in modo notevole dall inviluppo di Coulomb. Le terre invece hanno sviluppi di rottura sensibilmente rettilinei; per cui il criterio di Coulomb è universalmente adottato in geotecnica. c e non rappresentano caratteristiche fisiche del terreno, ma sono costanti della retta che approssima l'inviluppo di rottura nel settore tipico della compressione per basse pressioni di confinamento (inferiori al limite di snervamento). 6

7 Orientazione dei vari tipi di frattura rispetto al campo degli sforzi principali Sforzo di taglio critico in casi reali * t Perché l'angolo di frattura α f invece che essere = 45, angolo in cui lo σ t è massimo, nei materiali reali è in genere inferiore? α f dipende dall ottimizzazione dei valori per cui σ N è minimo e σ t è massimo da Twiss & Moores, 1992 Valori indicativi di resistenza delle rocce ad alta e bassa pressione di confinamento e a temperatura ambiente. 7

8 Crescita e propagazione di fratture di estensione e di taglio σ 3 σ 1 Lo sviluppo di fratture, sia di estensione che di taglio, avviene per connessione di microfratture preesistenti nella roccia, quando queste sono orientate in maniera adeguata rispetto al campo di sforzi generale. scala submillimetrica σ 3 σ 1 scala centimetrica da Fossen, 2010 Principio degli sforzi efficaci Terzaghi trovò che una pressione dell acqua u nei pori di una terra o di una roccia causa una riduzione dell intensità degli sforzi principali di una quantità uguale a u (Concetto di Pressione efficace). σ 1 ' = σ 1 - u σ 2 ' = σ 2 - u σ 3 ' = σ 3 - u La Pressione efficace è la pressione effettiva che agisce sulle pareti degli interstizi tra i granuli, ed è data dalla Pressione idrostatica Pressione neutra 8

9 Cerchio di Mohr per sforzi totali e per sforzi efficaci Lo sforzo differenziale (D σ = σ 1 -σ 3 ) non è influenzato dalle pressioni neutre, infatti ' ' 3 ( 1 u) ( 3 1 u ) E così anche lo sforzo di taglio massimo (p= raggio del cerchio di Mohr) 1 p 3 2 Al contrario lo sforzo normale medio efficace σ' dipenderà dalle pressioni neutre (σ'= coordinate del cerchio di Mohr) ' u ' u ' 1 ' ' u Cerchio di Mohr per sforzi totali e per sforzi efficaci Il cerchio di Mohr per sforzi efficaci ha lo stesso raggio di quello per sforzi totali, ma è spostato lungo l asse degli sforzi normali verso sinistra di una quantità uguale alla pressione neutra e quindi facilita il verificarsi del criterio di rottura per fratture di estensione da Twiss & Moore,

10 Effetti della pressione neutra L aumento della pressione neutra determina uno spostamento verso sinistra del cerchio di Mohr, che corrisponde a un avvicinamento allo stato limite rappresentato dall'inviluppò del criterio di rottura. Se l aumento della pressione neutra è sufficientemente elevato il cerchio di Mohr può diventare tangente all inviluppo di rottura. Sforzo efficace Sforzo applicato Il tipo di fratture che si svilupperanno dipenderà dal valore dello sforzo differenziale (diametro del cerchio di Mohr). (vedi diapositiva successiva) Effetti della pressione neutra Sforzo efficace Sforzo applicato Se lo sforzo differenziale è piccolo, come comunemente accade nella crosta, si svilupperanno fratture di tensione. Con elevate pressioni neutre può svilupparsi fratturazione di estensione anche a grande profondità. Se invece lo sforzo differenziale è relativamente grande, si svilupperanno fratture di taglio. 10

11 Conclusioni su: Effetti della pressione neutra (in ambito non metamorfico) Abbassa lo sforzo differenziale necessario per causare la rottura. Permette la fratturazione a profondità alle quali la roccia o sarebbe stabile o si troverebbe in regime deformativo duttile. Cambia il tipo di deformazione: da flusso cataclastico a scorrimento lungo una frattura. Il massimo sforzo di taglio che può essere sopportato da una terra è determinato più dalle condizioni in cui la deformazione si realizza (pressione media e quindi anche pressione dei fluidi) che dalle proprietà intrinseche del materiale. E FAGLIE 11

12 E FAGLIE giunto faglia vena O GIUNTI Plumose structure foto da Nova geoblog 12

13 O GIUNTI Cronologia di sovrapposizione: criteri Morfologia della superficie di un giunto B Plumose structure (A) Fratture coniugate (B) Spostamento anche a scala microscopica A Slickenline. direzione di propagazione da Allmendinger da Fossen, 2010 da Van Der Pluijm & Marshak O GIUNTI Importanza dello studio dei sistemi di frattura nell attività estrattiva; nell ingegneria civile; nell analisi della circolazione delle acque; nei giacimenti minerari legati a circolazione idrotermale. Nonostante siano diffusi ovunque negli ammassi rocciosi superficiali, ed abbiano grossa importanza nella pratica, in genere non è semplice analizzarli età difficilmente determinabile; in genere riattivati più volte; molti meccanismi di origine possibili; giunti legati ad attività tettonica e giunti non connessi ad attività tettonica; si presentano spesso in sistemi: insiemi di famiglie di giunti paralleli e spaziati.. Diminuiscono di importanza in profondità: massima profondità circa 6 km, per pressioni di circa 40MPa. 13

14 O GIUNTI Dipartimento di Scienze della Terra - Cagliari Distinguere se le fratture hanno una disposizione sistematica (si possono riconoscere famiglie di giunti, ecc.). Presenza o assenza di riempimento o patine. Orientazione delle varie famiglie, interazione. Relazioni di sovrapposizione (permettono di definire l'età). Descrivere la morfologia della frattura. Dimensioni delle fratture (Aspect ratio). Spaziatura e densità. Quali litologie sono interessate e come (relazione tra spaziatura fratture e spessore strati). Connessione tra le fratture. Relazione con le altre strutture. Cronologia di sovrapposizione: criteri Presenza o assenza di riempimento o patine. In presenza di vene, eventuali fratture sub-parallele senza riempimento sono da considerarsi più giovani. Anche la presenza di colorazione (patine di ossidazioni) sono da considerarsi come traccia di fluidi. Analisi più sofisticate includono lo studio delle inclusioni fluide all interno delle vene. Aspect ratio delle fratture. Poiché spesso le descrizioni della forma delle fratture può essere troppo soggettiva è meglio definire dei valori numerici che descrivano la geometria delle fratture. O GIUNTI Interazione tra fratture di sistemi diversi. Nel caso di Giunti: rapporto tra Lunghezza e ampiezza del vuoto Nel caso di fratture di taglio (Faglie): rapporto tra lunghezza e rigetto. Spesso nell'analisi di sovrapposizione cronologica tra diversi giunti di fratturazione vale la regola per cui un giunto più giovane si blocca contro uno più vecchio in quanto questo costituisce una superficie libera dove non esistono componenti dello sforzo. Spesso assumono una terminazione a J curvandosi verso la superficie libera. giunto vecchio giunto giovane da Allmendinger 14

15 Cronologia di sovrapposizione: criteri O GIUNTI Modalità di terminazione di fratture di taglio (faglie) Ri-orientazione locale della direzione di propagazione una frattura in prossimità di una frattura preesistente. La nuova frattura cresce verso quella preesistente cercando di mantenere un angolo di 90 con σ 3. a) La geometria suggerisce che σ 1 sia compressivo con raccorciamento parallelo alla vecchia frattura. b) Se la nuova frattura curva contro la precedente σ 1 e σ 3 sono probabilmente simili in dimensione e l estensione è parallela alla frattura vecchia. da Fossen, 2010 Cronologia di sovrapposizione: criteri Interazione tra fratture di sistemi diversi. O GIUNTI Caso presentato a studenti di geologia da Price. da Price & Cosgrove 15

16 Cronologia di sovrapposizioni: criteri Interazione tra fratture di sistemi diversi. Fratture L opzione 7 è in genere quella che la maggior parte di noi geologi (sbagliando) sceglie dopo aver perso un po di tempo ad osservare affioramenti simili. da Price & Cosgrove, La maggior parte ritiene più probabile l opzione 2, perché? A prima vista 1-1a e 2-2a sono dislocate da 3a perciò A è più vecchio di C. B più giovane perché non dislocato. In realtà 4a non è dislocato, in 5 il movimento è opposto a quello di 1-1a. Quindi A non è dislocato da C e 1 e 1a sono fratture diverse più giovani di 3a. Osservando il dettaglio in (b) si vede che il sistema B è fatto di vene e le fratture coniugate indicano uno spostamento dell'alto verso destra. Quindi sembrerebbe valida l'opzione 4. Le relazioni tra 1a e 3c non sono però coerenti. L'assunto che tutte le fratture parallele siano coeve è probabilmente sbagliato! In realtà è probabile che le fratture più lunghe siano le più vecchi dello stesso sistema, e quindi bisogna individuare diversi sistemi, paralleli, ma di età diversa. O GIUNTI Esfoliazione cipollare dovuta alla diminuzione del carico litostatico da Allmendinger Meccanismo di formazione: 1. controllo esercitato dalla topografia sulla loro orientazione. 2. i giunti di esfoliazione influenzano la topografia. da Fossen,

17 O GIUNTI Giunti da scarico (unloading joint) O GIUNTI Quali litologie sono interessate e come (relazione tra spaziatura fratture e spessore strati). Poiché le arenarie possono sopportare uno D maggiore di una argillite, a parità di sovraccarico (overburden) le prime hanno un σ 3 minore e quindi necessitano di una pressione neutra u minore per raggiungere la fratturazione idraulica. 17

18 Fratturazione idraulica O GIUNTI In bacini sedimentari tettonicamente "quiescenti" per profondità inferiori a 3 km: u < P idrost. P eff = P idrost - P fluidi Se aumenta la profondità la Pressione neutra u aumenta più velocemente di 3 -> la compattazione e l'effetto termico dell'acqua provocano la Fratturazione idraulica Le differenti caratteristiche meccaniche delle rocce influenzano la comparsa di giunti di fratturazione. Poiché le arenarie possono sopportare uno D maggiore di una argillite, a parità di sovraccarico (overburden) le prime hanno un σ 3 minore e quindi necessitano di una pressione neutra u minore per raggiungere la fratturazione idraulica. Giunti colonnari O GIUNTI Sono sistemi di frattura tipici in rocce vulcaniche che isolano elementi colonnari a base prismatica (esagonale). Lo sforzo che li origina è dovuto a: raffreddamento (contrazione termica): maggiore nel corpo vulcanico che nelle rocce adiacenti effetto di saldatura tra il corpo vulcanico e le rocce incassanti: impedisce qualsiasi spostamento relativo. Ne consegue che: N è parallelo al contatto basale, è tensile nella vulcanite parallelo alle isoterme durante il raffreddamento, bilanciato da un N compressivo nella roccia incassante. Essendo le rocce più facilmente deformabili per uno sforzo tensile, il corpo vulcanico si frattura perpendicolarmente alle superfici isoterme. La forma esagonale è quella che permette un sistema di giunti più "compatto". La contrazione termica è dovuta sia al coeff. di espansione termica del materiale, che alla differenza di temperatura. Per contrazione legata a essiccamento si formano in maniera analoga i "mud-cracks" 18

19 O GIUNTI Per contrazione legata ad "essiccamento" con geometria analoga ai giunti colonnari si formano i "mud-cracks" Strutture da "essiccamento" (mud-cracks) nella successione cretacica della Sardegna centrale Giunti colonnari O GIUNTI Colata lavica eruttata a 1020 C da Allmendinger La colata lavica si raffredda a 20 C. La deformazione, quindi la formazione di fratture, legata alla variazione di temperatura è data da e= α ΔT, dove α è il coefficiente di espansione termica Considerando α =2,5 x 10-6 C -1 e un ΔT= C => e = 2,5 x 10-6 C -1 x C Se la lunghezza iniziale della colata è 1000 m, allora l'elongazione subita sarà: f ww i w e w ew i 5, ,2 m w i i I giunti si formano perché la colata si raccorcia di 2,5 m. Poiché il flusso è saldato alla base, non può raccorciarsi uniformemente in maniera continua (duttile) ma si suddividerà in colonne. Sommando tutti gli spazi che si formano tra le colonne in una colata lunga 1000m questi equivalgono a 2,5 m 19

20 O GIUNTI Spaziatura dei giunti Esiste un rapporto tra spaziatura dei giunti e spessore dello strato fratturato cambia lo spessore di argilliti intercalate Probabili cause: Pressione dei fluidi u rapporto tra decremento della u in un area dove si forma la rottura in rapporto alla permeabilità della roccia. da Twiss & Moores, 1992 Relazione tra fratture ed altre strutture geologiche Le fratture spesso sono delle strutture deformative secondarie di altre strutture. Quando la stessa roccia è interessata da diverse fratture indicative di contesti strutturali differenti ad esempio in seppellimento ed in sollevamento. Strutture duttili prima di fragili. Fratture associate a Faglie Spesso le Faglie sono accompagnate da fratture di taglio coniugate che si sviluppano in aree adiacenti. Di questo tipo sono anche le tension gash e altre da Twiss & Moores,

21 Relazione tra fratture ed altre strutture geologiche Fratture associate a Faglie Relazione tra fratture ed altre strutture geologiche Fratture associate a Faglie 21

22 Relazione tra fratture ed altre strutture geologiche Fratture associate a Faglie Relazione tra fratture ed altre strutture geologiche Dipartimento di Scienze della Terra - Cagliari Fratture associate a Pieghe da Twiss & Moores, 1992 Due sistemi coniugati: Ortogonali alla stratificazione; con angoli minori di 45 rispetto a 1 b = parallelo all asse della piega; a = perpendicolare a b e contenuto sul piano della stratificazione; c = perpendicolare ad a e b. Le proiezioni stereografiche mostrano l orientazione del sistema di coordinate, la stratificazione se non orizzontale (linee a punto) e le fratture (linee continue) 22

23 Relazioni geometriche VENE da Van der Pluijm & Marshak Baccu Olioni, Villaputzu Disposizione planare Disposizione "stockwork" Porto su Tramatzu, Villaputzu Relazioni geometriche VENE Sistema di vene planari composto da due famiglie ortogonali Torre dei Corsari, Sant'Antonio di Santadi 23

24 Caratteristiche riempimento VENE Riempimento granulare da Van der Pluijm & Marshak Riempimento con fibre Limousin, Francia Baccu Trebini, Villaputzu VENE Le caratteristiche del riempimento (accrescimento in fibre) possono registrare stati dello strain incrementale. da Allmendinger Le inclusioni fluide nelle vene registrano le condizioni termo-bariche del momento in cui si sono formate le vene. 24

25 VENE E importante distinguere il tipo di materiale che forma le vene. da Allmendinger Materiale nella vena con diversa composizione di quello della roccia incassante Materiale nella vena con stessa composizione di quello della roccia incassante (es.: vene di calcite in un calcare) N.B. Le fibre delle vene non sono deformate, ma crescono durante la deformazione. VENE E importante distinguere il tipo di materiale che forma le vene. Vene sintassiali Materiale nella vena con stessa composizione di quello della roccia incassante (es.: vene di calcite in un calcare). Vene antitassiali Materiale nella vena con diversa composizione di quello della roccia incassante. Cambridge University Press 2016 N.B. Le fibre delle vene non sono deformate, ma crescono durante la deformazione. 25

26 VENE Tension gashes VENE (Tension gashes) 26

27 VENE (Tension gashes) da Allmendinger VENE (Tension gashes) 27

28 VENE (Tension gashes) da Mercier & Vergely Definizioni FAGLIE - Una superficie lungo cui si può individuare un movimento. - Un volume tabulare di roccia con una superficie di scorrimento centrale formata per un intensa fratturazione di taglio ed un volume di roccia circostante interessato da una deformazione fragile meno intensa dovuta alla faglia. - Una discontinuità (frattura) con un movimento parallelo alla superficie dove domina un meccanismo deformativo fragile. - Una zona di faglia è data da una serie di faglie o superfici di taglio subparallele sufficientemente vicine da definire una zona. da Twiss & Moores,