FRATTURE E FAGLIE - II

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1 CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE A.A Corso di GEOLOGIA STRUTTURALE Docente: Antonio Funedda FRATTURE E FAGLIE - II 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,

2 Definizioni FAGLIE Un volume tabulare di roccia con una superficie di scorrimento centrale (core) formata per un intensa fratturazione di taglio ed un volume di roccia circostante (damage zone) interessato da una deformazione fragile meno intensa dovuta alla faglia. Fossen, Cambridge University Press 2016 DEFINIZIONI GEOMETRICHE FAGLIE Quando una faglia non è verticale il blocco sopra la superficie di faglia è detto tetto (hangingwall), il blocco sottostante è detto letto (footwall). da Twiss & Moores, 1992 Faglie con spostamenti verticali (dirette o inverse), con spostamenti orizzontali (trascorrenti) o con spostamenti obliqui o rotazionali. 2

3 DEFINIZIONI GEOMETRICHE FAGLIE Considerando le relazioni tra immersione della faglia e immersione dei contatti dislocati: F. conforme F. contraria Considerando le relazioni tra direzione della faglia e la direzione dei contatti dislocati: F. direzionale F. ortogonale F. obliqua Ancora qualche altra definizione: Graben Horst Faglia principale (Master fault) Faglie antitetiche e sintetiche Fossen, Cambridge University Press 2016 FAGLIE Strutture estensionali o di raccorciamento 3

4 Rigetto delle Faglie RVR Rigetto reale dislocazione di un punto noto dalla posizione A alla posizione A da Mercier & Vergely Sul piano di Faglia si può scomporre in diversi rigetti apparenti: RD Rigetto parallelo alla direzione della faglia (Strike Separation) e RP Rigetto pendenza (Dip Separation) Il rigetto pendenza sul piano verticale si scompone in: RV (Throw) Rigetto verticale e RT (Heave) Rigetto trasversale Sul piano verticale che contiene il vettore scorrimento (RVR): RH Rigetto orizzontale e RV Rigetto verticale Rigetto delle Faglie Fossen, Cambridge University Press 2016 RD Rigetto parallelo alla direzione della faglia (Strike Separation) e RP Rigetto pendenza (Dip Separation) Il rigetto pendenza sul piano verticale si scompone in: Throw Rigetto verticale e Heave Rigetto trasversale Sul piano verticale che contiene il vettore scorrimento (RVR): RH Rigetto orizzontale e RV Rigetto verticale 4

5 Rigetto delle Faglie Lo spostamento totale lungo una faglia è dato da una direzione di spostamento e da un verso Direzione di Spostamento Non è determinabile se si osserva solo un piano rigettato! E necessario che si individui una linea Faglia che disloca la cerniera di una piega Rigetto reale (vettore spostamento) Faglia che disloca l intersezione di due piani da Twiss & Moores, 1992 Rigetto delle Faglie Relazione tra rigetto e spessore della zona deformata (damage zone) La maggior parte dei dati ricade intorno alla retta D= DT. Relazione tra rigetto e spessore della zona di maggiore deformazione (fault core) Dal diagramma si evince che nella maggior parte dei casi il nucleo della faglia (core) ha uno spessore pari a circa 1/100 del rigetto Fossen, Cambridge University Press

6 Rigetto delle Faglie In genere il rigetto è massimo al centro della faglia e minimo alla tip line. Fossen, Cambridge University Press 2016 Rigetto delle Faglie Aspetti geometriche del rigetto su una faglia isolata Fossen, Cambridge University Press

7 FAGLIE Rappresentazione cartografica FAGLIE Criteri di riconoscimento Effetti sugli aspetti fisiografici: Faglie attive o non attive hanno fortemente influenzato la topografia, il reticolo idrografico, il deflusso dell acqua, nel procedimento inverso molti elementi topografici sono utili indizi di faglia. Effetti sugli elementi geologici: Le F. creano discontinuità nella successione stratigrafica e nella continuità dei corpi geologici. Criteri intrinseci alla genesi stessa delle faglie: Particolari strutture sviluppate nelle rocce interessate dalle faglie (rocce di faglia: cataclasiti e miloniti). 7

8 Allineamenti di selle. Allineamenti di sorgenti. Deviazioni del reticolo idrografico. Criteri Fisiografici Allineamenti di aree vegetate. Dislocazioni di elementi topografici. Scarpata di Faglia Faccette triangolari (Flatirons) da Twiss & Moores, 1992 Erosione di un area interessata da una faglia Scarpata erosiva di Faglia Deformazione degli elementi geologici Interruzione di elementi geologici con definita continuità laterale: ad es. strati sedimentari, filoni, scistosità... calcare eocenico Discontinuità nella successione stratigrafica (da non confondere con discordanze o contatti intrusivi). Scaglie tettoniche. scisti paleozoici 8

9 Deformazione degli elementi geologici Filoni di quarzo intrusi in granito dislocati da faglie dirette Deformazione degli elementi geologici 9

10 Deformazione degli elementi geologici Ripetizione od omissione della successione litostratigrafica (stratigraphic separation) Faglia inversa Nel caso di sondaggi verticali Faglia diretta Raddoppio tettonico Contatto sottrattivo da Twiss & Moores, 1992 La stratigraphic separation è il rigetto misurabile in un sondaggio uguale alla componente verticale della dip separation (throw) se la stratificazione è orizzontale. Deformazione degli elementi geologici Ripetizione od omissione della successione litostratigrafica (stratigraphic separation) Nel caso di sondaggi inclinati Faglia diretta Fossen, Cambridge University Press

11 Deformazione degli elementi geologici Pieghe di trascinamento (Drag fold) L'asse delle pieghe di trascinamento fa un angolo molto alto rispetto al vettore spostamento da Twiss & Moores, 1992 Aspetti cartografici Interruzione di contatti, pieghe, altre faglie, dicchi, ecc. senza spostamento visibile con spostamento visibile Ripetizione di successioni stratigrafiche 11

12 Aspetti cartografici Troncatura (omissione) di successioni stratigrafiche senza spostamento visibile Raddoppi o aumenti anomali di spessore delle formazioni Presenza di Rocce di faglia 12

13 Presenza di Rocce di faglia Classificazione di Sibson, 1977 da Sibson, 1977 Cataclasiti e Miloniti Entrambe queste rocce si formano in presenza di una deformazione localizzata, a seguito cioè di una localizzazione dello strain che porta allo sviluppo di una zona di faglia. Il termine milonite è spesso usato con differenti significati: Una roccia a grana fine, foliata prodotta da una cataclasi molto spinta. Qualsiasi roccia foliata con riduzione della grana dovuta a qualsiasi meccanismo deformativo durante l evento tettonico. Una roccia di faglia in cui la matrice si è deformata prevalentemente con meccanismo deformativo plastico, con grani a dimensioni maggiori (porfiroclasti) deformati in modo fragile. 13

14 Classificazione delle rocce di faglia secondo il meccanismo deformativo (secondo S. M. Schmidt & M. Handy, 1991) Cataclasiti Cataclasiti sono rocce in cui la maggiore parte dello strain viene accomodato dal meccanismo deformativo di cataclasi. Affioramenti di rocce cataclastiche sono generalmente caratterizzati da una fratturazione ed un alterazione diffusa. E possibile distinguere cataclasiti prive di coesione (brecce di frizione) da cataclasiti con coesione. La coesione della roccia può essere originaria, cioè posseduta anche durante la deformazione oppure essere acquisita secondariamente a seguito di fenomeni di cementazione. da Twiss & Moores,

15 Cataclasiti da Fossen, 2010 Miloniti Miloniti sono rocce in cui la maggiore parte dello strain viene accomodato dai cristalli mediante meccanismi deformativi di tipo viscoso, cioè plasticità, scivolamento viscoso, dissoluzione e riprecipitazione. In rocce polimineraliche la fase che si deforma più facilmente «accomoda» lo strain totale della roccia se può formare una matrice continua attorno alla fase più competente. Quest ultima forma boudinage o clasti a secondo del contrasto di competenza tra le due fasi. da Passchier & Trouw,

16 Pseudotachiliti Le pseudotachiliti sono rocce di faglia particolari composte da materiale vetroso nero o microcristallino, con inclusioni di frammenti della roccia incassante o minerali, che si forma per una fusione localizzata della roccia. Ha un aspetto planare, con talvolta caratteristiche vene iniettate perpendicolarmente alla superficie di taglio. In genere sono causate da un evento sismico, quindi una deformazione con un tasso di strain molto elevato e che produce una temperatura elevata, sono tipiche di un ambito fragile. da Passchier & Trouw, 1996 larghezza foto 13 mm da Trouw, Passchier & Wiersma 2010 larghezza foto 2 mm Lungo superfici di faglia si possono riconoscere strutture che indicano la direzione di movimento: strie (Slickenline): strutture lineari originatesi per "abrasione"sul piano di faglia (Specchio di faglia o Slickenside) dai movimenti di frizione di un blocco rispetto all altro slickenfibres: fibre che crescono contemporaneamente al movimento (crescita di fibre di calcite, quarzo, ecc. in vuoti); indicano anche la cinematica, ma non la quantità del movimento! 16

17 Lungo superfici di faglia si possono riconoscere strutture che indicano la direzione di movimento: strie (Slickenline): strutture lineari originatesi per "abrasione"sul piano di faglia (Specchio di faglia o Slickenside) dai movimenti di frizione di un blocco rispetto all altro slickenfibres: fibre che crescono contemporaneamente al movimento (crescita di fibre di calcite, quarzo, ecc. in vuoti); indicano anche la cinematica, ma non la quantità del movimento! Nelle linee sismiche Non ci sono evidenti riflettori della superficie di faglia, il rigetto viene riconosciuto per la interruzione dei riflettori. Faglie sub-sismiche: faglie con rigetti al di sotto della risoluzione sismica, in genere rigetti < di m. Fossen, Cambridge University Press

18 Nelle linee sismiche Non ci sono evidenti riflettori della superficie di faglia, il rigetto viene riconosciuto per la interruzione dei riflettori. Sismica 3D Fossen, Cambridge University Press 2016 Nelle linee sismiche Non ci sono evidenti riflettori della superficie di faglia, il rigetto viene riconosciuto per la interruzione dei riflettori. La presenza di faglie può però essere evidenziata dalla presenza di iperboli 18

19 Dipmeter: relazione dati di immersione / profondità Misura continua della micro-resistività lungo il sondaggio. Comprimendo la scala delle altezze, è facile evidenziare: a) Interruzioni del log dovute a cambi repentini dell inclinazione o dell immersione. b) Presenza di giaciture anomale, dovute non agli strati ma a altre strutture correlate con le faglie. Fossen, Cambridge University Press 2016 Dipmeter: relazione dati di immersione / profondità Misura continua della micro-resistività lungo il sondaggio. Comprimendo la scala delle altezze, è facile evidenziare: c) Cuspidi, dovute ad un rapido e progressivo cambio della inclinazione o dell immersione. Sono tipiche di pieghe di trascinamento Fossen, Cambridge University Press

20 Sismicità e Faglie Faglie sismiche Faglie asismiche Deformazione discontinua Deformazione continua Fossen, Cambridge University Press 2016 Deformazione discontinua Sismicità e Faglie Deformazione continua è favorita da-> bassi valori di σ n livelli superficiali della crosta superiore faglie a basso angolo in sedimenti con elevata pressione dei fluidi. Litologie porose bassa temperatura (sotto la soglia di plasticità). Le faglie sismiche producono rigetti modesti: M 6,5-6,9, lunghezza km, rigetti da 1 a 15 m. Legge di Byerlee: criterio empirico di rottura, quando la roccia è già fratturata e l effetto della coesione è nullo. σ s =μσn Distribuzione di 630 terremoti in una zona della California (Marone & Scholz, 1988) Fossen, Cambridge University Press

21 Sismicità e Faglie Le faglie sismiche tendono ad attivare solo una parte della loro superficie per volta. Fossen, Cambridge University Press 2016 Distribuzione degli sforzi e Faglie Teoria di Anderson Interpretazione secondo il criterio di Coulomb: Riformula l equazione di Coulomb in termini di stress differenziale (σ 1 - σ 2 ) e di stress litostatico (σ L ) invece che di σ n e σ t : Faglie inverse σ L = σ 3 Faglie normali σ L = σ 1 Faglie trascorrenti σ L = σ 2 = 0,5(σ 1 + σ 3 ) Faglia trascorrente Faglia diretta Faglia inversa da Fossen,

22 Distribuzione degli sforzi e Faglie Teoria di Anderson Interpretazione secondo il criterio di Coulomb: La superficie orizzontale della terra è una superficie libera che non trasmette lo sforzo di taglio σ t ed è quindi uno dei piani principali dell'ellissoide dello sforzo. Lo sforzo verticale è perciò uno sforzo principale. Il piano di frattura contiene σ 2, l'angolo α f tra frattura e σ 1 < 45, in genere è uguale a 30 Si originano dei Sistemi di Faglie Coniugate con angoli diedri. Conoscendo la giacitura delle faglie coniugate si possono determinare le direzioni degli sforzi principali. Faglia trascorrente Faglia diretta Faglia inversa da Fossen, 2010 Interpretazione dinamica delle Faglie: Teoria di Anderson Deformazione di tipo non rotazionale (assimilabile al taglio puro) da Mercier & Vergely 22

23 Interpretazione dinamica delle Faglie: Teoria di Anderson Interpretazione che considera le faglie come prodotte da un modello meccanico per taglio secondo il criterio di Coulomb ( t = c + tg n) Questo modello non prevede però la formazione di Faglie dirette a basso angolo e Faglie inverse ad alto angolo. Inoltre le rocce non sono mai omogenee, ma hanno anisotropie planari che influenzano il loro comportamento se soggette a stress. Deformazione per taglio semplice (Esperimento di Riedel) Deformazione rotazionale (assimilabile al taglio semplice) Taglio sinistro Riproposizione dell'esperimento di Riedel, da Tchalenko,

24 Deformazione per taglio semplice (Esperimento di Riedel) Strutture nel caso di un taglio destro da Allmendinger N.B. La faglia principale (ovv. la zona di taglio parallela ai bordi delle piastre) si forma negli stadi finali della deformazione per interlacciamento delle fratture R e P che progressivamente ruotano verso il piano di taglio. Deformazione per taglio semplice (Esperimento di Riedel) R R' P Faglia principale 24

25 Indicatori cinematici lungo faglie (in ambito fragile) Fossen, Cambridge University Press 2016 Indicatori cinematici lungo faglie (in ambito fragile) Fibre che crescono a un piccolo angolo rispetto al piano di faglia. Punti opposti della fibra uniscono punti che prima erano adiacenti. Quando uno dei due blocchi viene rimosso le fibre sul piano di faglia hanno una geometria a gradini. Il senso di spostamento del blocco rimosso è dato dal senso di crescita delle fibre. Fratture di estensione che intersecano il piano di faglia inclinandosi in direzione del movimento del blocco rimosso (T-fracture). Fratture di estensione ad alto angolo con il piano di faglia con la concavità rivolta in direzione del movimento del blocco rimosso. da Twiss & Moores,

26 Indicatori cinematici lungo faglie (in ambito fragile) da Twiss & Moores, 1992 Superfici striate (P) che non intersecano il piano di faglie talvolta associate con fratture di estensione (T) che tagliano il piano di faglia. Fratture di Riedel: R (sintetiche alla direzione del movimento) e R (antitetiche). Il piano di faglia è molto irregolare. Non molto comune. Il piano di faglia è completamente striato. Le fratture di Riedel: R e R individuano dei gradini senza strie orientati in direzione opposta al movimento del blocco rimosso. Talvolta lungo le fratture R si hanno delle lunule: curvature concave verso la direzione di movimento del blocco rimosso. Indicatori cinematici lungo faglie (in ambito fragile) La presenza delle tracce dei frammenti che hanno determinato le strie indica la direzione di movimento del blocco rimosso. da Twiss & Moores, 1992 Sebbene tipici di zone di taglio duttile anche nell ambito deformativo fragile si ritrovano degli indicatori cinematici tipo S-C comuni sia nelle rocce clastiche che in quelle carbonatiche. 26

27 Elementi di Curvatura di una foliazione individuata dall allineamento di minerali Indicatori cinematici lungo faglie (in ambito duttile) Orientazione e asimmetria di pieghe non cilindriche (sheat fold) Asimmetria delle code in Porfiroclasti tipo Asimmetria delle code in Porfiroclasti tipo Strutture interne in Porfiroclasti? Una rotazione limitata non è un indicatore sufficiente! Strutture a domino (bookshelf) Micro-faglie (a scala sub-millimetrica) da Twiss & Moores, 1992 Faglie in 3 dimensioni L aspetto tridimensionale delle faglie (C.) sfugge spesso all attenzione del geologo sia per il loro aspetto sull affioramento ed in profilo (B.) che per la rappresentazione cartografica (A.) da Twiss & Moores,

28 Una faglia può avere una forma qualsiasi perpendicolare alla direzione di spostamento. Non è necessariamente una superficie piana! Faglie in 3 dimensioni Se la superficie non è piana in direzione parallela alla direzione di spostamento si creano problemi di spazio con conseguente deformazione del blocco a tetto o a muro Sistema di faglie in un campo petrolifero del Mare del Nord con andamento curvo ortogonale alla direzione di spostamento e andamento piano parallelamente. da Fossen, Faglie in 3 dimensioni Rappresentazione tridimensionale delle relazioni tra una faglia e la superficie dislocata, utilizzato spesso nelle prospezioni minerarie. Cutoff point: intersezione tra la faglia e una superficie dislocata sin 2D, in genere un limite formazionale, o uno strato. Cutoff line: la linea di intersezione tra la faglia e una superficie dislocata in 3D. Fossen, Cambridge University Press

29 Faglie in 3 dimensioni Si distinguono rampe (ramp) frontali e laterali che connettono i diversi segmenti della faglia. Le rampe laterali possono essere parallele od oblique alla direzione di spostamento da Twiss & Moores, 1992 Faglie in 3 dimensioni da Twiss & Moores, 1992 La terminazione di una faglia è detta Tip line e diventa una frattura di tipo II o tipo III a secondo della sua orientazione rispetto alla direzione di spostamento 29

30 Faglie in 3 dimensioni Quando una faglia termina congiungendosi con un altra la linea di intersezione è detta Branch line da Twiss & Moores, 1992 La terminazione di una faglia avviene in genere in diverse faglie minori dette splay, che spesso formano una geometria a ventaglio (imbricate fan) Faglie in 3 dimensioni Evoluzione di un sistema di faglie con formazione di rampe (strutture di collegamento). da Fossen,

31 Determinazione del campo degli sforzi dalle Faglie Metodo basato sul Modello di Anderson Basato sulle relazioni tra Sforzi principali e Faglie in base al Criterio di fratturazione di Coulomb) Riconoscimento della direzione di trasporto tettonico (strie, ecc.). Sistemi di faglie coeve. Angoli Senso di taglio opposto. 2 = intersezione tra le due faglie. 1 = bisettrice dell'angolo acuto tra le due faglie. 3 = bisettrice dell'angolo ottuso tra le due faglie. Determinazione del campo degli sforzi dalle Faglie Metodo basato sul Modello di Anderson (del diedro acuto) Nel caso si abbia solo una superficie di Faglia e non un diedro coniugato: Riconoscimento della direzione di trasporto tettonico (strie, ecc.). Sistemi di faglie coeve. Angoli Senso di taglio opposto. 2 = giace sul piano di faglia orientato a 90 dalla direzione di movimento. 1 = è un punto del grande cerchio con polo 2 ad un angolo rispetto alla direzione di movimento. 3 = è un punto del grande cerchio con polo 2 ad un angolo 90- rispetto alla direzione di movimento con direzione opposta al 1. 31

32 Determinazione del campo degli sforzi dalle Faglie Metodo cinematico E' possibile ricostruire il campo degli sforzi anche se si conosce la giacitura di una sola faglia e la direzione di movimento ad essa associata (es. misurandone le strie), costruendo un piano di movimento perpendicolare alla faglia e che contiene la direzione di movimento (piano di movimento o piano di shear). Il σ 1 e il σ 3 saranno contenuti su questo piano a 90 tra loro e a 45 (*) dal polo. La posizione del σ 1 dipende dal verso di movimento dell'indicatore cinematico. Regola generale: la freccia del vettore spostamento (stria) immerge sempre verso l'asse di massima estensione e nella direzione opposta all'asse di massimo raccorciamento. da Allmendinger Determinazione del campo degli sforzi dalle Faglie da Rowland et al.,

33 Determinazione del campo degli sforzi dalle Faglie Metodo grafico del diedro retto (Pegoraro, 1972) Nel caso si abbiano più faglie con cinematica differente, generate sotto lo stesso campo di sforzi. Si costruisce su uno stereonet per ogni faglia (F) un piano ausiliare (PA), ortogonale alla faglia ed alla stria, ottenendo quindi quattro diedri retti. Si distinguono i due diedri in compressione da quelli in estensione (partendo dal piano di faglia con la stria). 1 e 3 giacciono in posizione qualsiasi all interno dei diedri rispettivamente in compressione ed in estensione, come tipico nei mezzi anisotropi. Si proiettano per molte faglie i rispettivi diedri fino a ridurre la zona in compressione e quella in distensione. Se esiste un campo di sforzi unico che giustifica il movimento di tutta la popolazione di faglie proiettate, l asse 1 si trova nella zona comune di compressione e viceversa per l asse 3. E importante che le zone in compressione ed in distensione siano in comune a tutti i diedri in compressione ed estensione. da Mercier & Vergely Determinazione del campo degli sforzi dalle Faglie da Rowland et al.,