Physico-chemical processes in seismogenic faults: active and exhumed examples

The time recurrence of earthquakes is the result of the complex feedback between the tectonic loading on a fault and the time-dependent evolution of fault strength. The chemical and physical processes active during the seismic cycle, control the short term and long term mechanical properties of the fault zone. The study of natural fault rocks is a method for recognizing the processes occurring in the seismic cycle and for finding a correspondence with rocks experimentally deformed in controlled conditions. The study of seismic fault zone rocks are attained (i) by scientific drilling in active fault zones and (ii) by the study of ancient seismic faults now exhumed in mountain ranges. Drilling is limited to the first kilometers of crust, but the features found in fault rocks can be correlated with detailed in-situ measurements of the fault activity. Exhumed fault zones allow to the study of fault rocks from a large span of depth in the crust, but little can be inferred on their activity. In this thesis, two case studies are examined: the modern seismogenic San Andreas Fault (California, USA) and the ancient seismogenic Gole Larghe Fault (Southern Alps, Italy). The fault rocks and fault zones are investigated by integrating methods from: structural geology, experimental rock deformation, microstructural analysis (optical microscopy, cathdolouminescence microscopy, field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), electron back scatter diffraction (EBSD), image analysis), mineralogy (X-ray diffraction (XRD), geochemistry (X-ray fluorescence (XRF), energy dispersive spectrometry (EDS) X-ray microanalysis, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, electron probe micro-analysis (EPMA)) and stable isotope geochemistry. The San Andreas Fault was drilled to 2.7 km depth at Parkfield (central California) within the SAFOD (San Andreas Fault Observatory at Depth) project, and samples were extracted from the depth of nucleation of repeating microearthquakes registered in that fault strand. The identification of a cyclic recurrence of pressure-solution creep, hydrofracture and pressure solution creep supports the idea that, in mature fault zones as the San Andreas Fault, isolated compartments of high fluid pressure might cause small to moderate in size earthquakes, associated to the dominant creep activity. The Gole Larghe Fault Zone is an exhumed fault which was active 30 Ma ago at 9 – 11 km depth. The occurrence of pseudotachylytes, frictional melts produced during seismic slip, witnesses the seismic behavior of the fault, and allows to investigate the processes occurring at hypocentral depths of major intracrustal earthquakes. Two topics were investigated: (i) The fabric evolution of cataclastic rocks with increasing deformation. This microstructural study aims to identify the (interseismic?) processes potentially leading to the onset of unstable slip at the early stages of fault growth. Brittle processes as fracturing and cataclasis are overprinted by pressure solution processes and alteration enhanced by rock fragmentation and fluid ingression. (ii) The origin of fluids involved in seismic faulting and frictional melting. The formation of a cataclastic fault network might allow the ingression of external hydrous fluids, probable deep in origin, although mixing with meteoric or connate fluids cannot be excluded. Isotope studies in natural pseudotachylytes were coupled with detailed mineralogical characterization, which allowed to identify a (post-deformation) late hydration of the pseudotachylytes. The similar isotopic composition of natural pseudotachylytes (re-calculated excluding the effects of late hydration) and dry experimentally-produced pseudotachylytes suggests that the main fluid source is the dehydration induced by coseismic frictional heating of OH-bearing minerals (biotite, chlorite, epidote) in the wall rocks.  

I processi chimici e fisici attivi nel ciclo sismico controllano l’evoluzione delle proprietà meccaniche delle zone di faglia, sia nel breve (durante la propagazione di un terremoto) che nel lungo periodo (per esempio, il recupero delle proprietà elastiche delle rocce di faglia nel periodo intersismico). L’irregolare distribuzione dei terremoti nel tempo è infatti dovuta alla complessa interazione tra energia di deformazione elastica accumulata nell’incassante e l’evoluzione temporale delle proprietà meccaniche (coesione, attrito, ecc.) delle zone di faglia. Studiare le rocce di faglia naturali è un mezzo per riconoscere i processi attivi nelle varie fasi del ciclo sismico e per confrontarne le tessiture con rocce deformate in laboratorio in condizioni controllate. Il campionamento di rocce in faglie sismogenetiche può avvenire attraverso (i) perforazioni di faglie attive e (ii) faglie non più attive ed oggi esumate nelle catene montuose. La perforazione di faglie attive permette di correlare i processi fisici e chimici identificati nelle rocce di faglia con l’attività (sismicità o scivolamento asismico) registrata in tempo reale, ma è limitata ai primi chilometri di crosta. Le faglie esumate d’altro canto permettono di accedere a livelli crostali più profondi e compatibili con quelli di nucleazione di grandi terremoti, ma si hanno pochi vincoli sul loro stile deformativo. In questa tesi, vengono studiati campioni da due faglie sismogenetiche: la Faglia di San Andreas (California, USA), faglia sismogenetica attiva, e la Faglia delle Gole Larghe (Alpi Meridionali, Italia), faglia sismogenetica esumata. Le faglie e le rocce di faglia sono state studiate integrando diversi metodi: geologia strutturale, deformazione sperimentale di rocce, analisi microstrutturale (microscopia ottica ed in catodoluminescenza, microscopio elettronico ad emissione di campo (FESEM), diffrazione da retrodiffusione elettronica (EBSD), analisi di immagine), mineralogia (diffrazione da raggi X (XRD)), geochimica (fluorescenza da raggi X (XRF), microanalisi da spettroscopia a dispersione di energia da raggi X (EDS), spettroscopia ad infrarosso (FTIR), microsonda elettronica (EPMA) ), geochimica degli isotopi stabili. La Faglia di San Andreas è stata perforata fino ad una profondità di 2.7 km presso Parkfield (California centrale) nell’ambito del progetto SAFOD (San Andreas Fault Observatory at Depth), con il recupero di tre carote da profondità prossime agli ipocentri di terremoti di bassa intensità (M<3) registrati in questo tratto della faglia. Nei campioni studiati, abbiamo identificato una sovrapposizione ciclica di strutture legate a presso-soluzione(creep), idrofratturazione e ancora presso-soluzione. Questo potrebbe confermare il modello secondo cui, in faglie mature e ricche in materiali argillosi come la Faglia di San Andreas, si possano formare delle sacche poco permeabili isolate in cui la pressione dei fluidi può aumentare a causa della continua compattazione del materiale di faglia, fino a superare la resistenza alla rottura della roccia. La faglia delle Gole Larghe è una faglia esumata che era attiva 30 Ma fa a 9 -11 km di profondità. La presenza di pseudotachiliti, fusi di frizione prodotti durante lo scivolamento sismico, testimonia l’attività sismica passata. La Faglia delle Gole Larghe permette quindi di avere un accesso diretto ai processi che avvengono alla profondità dei maggiori terremoti nella crosta continentale. Due argomenti sono stati affrontati: (i) l’evoluzione microstrutturale delle rocce cataclastiche associate alle pseudotachiliti all’aumentare della deformazione. Lo scopo dello studio è identificare i processi (intersismici) che possono portare alla nucleazione di instabilità frizionali nelle prime fasi di crescita di una faglia. Ai processi fragili come fratturazione e cataclasi si sovrappongono processi di presso-soluzione e alterazione, favoriti dalla frammentazione della roccia e dall’ingresso di fluidi idrotermali. (ii) L’origine dei fluidi nelle faglie sismogenetiche e nel processo di fusione per attrito. Nel caso della Faglia delle Gole Larghe, la formazione di un sistema di faglie cataclastiche consente l’ingresso di un fluido acquoso, di probabile origine profonda, anche se non può essere esclusa una componente di fluidi meteorici o connati. La caratterizzazione della speciazione dell’acqua attraverso spettoscopia FTIR nelle pseudotachiliti ha permesso di identificare un’idratazione tardiva (post-deformativa) delle pseudotachiliti. La composizione isotopica delle psudotachiliti (ricalcolata escludendo l’effetto dell’idratazione) è simile a quello di pseudotachiliti artificiali prodotte in condizioni anidre. La principale fonte di fluidi nelle pseudotachiliti è quindi la deidratazione dei minerali idrati (biotite, clorite, epidoto) della roccia incassante indotta dal calore di frizione prodotto dallo scivolamento cosismico.