Le rocce sotto sforzo: come nasce un terremoto

USGS Rock Physics Laboratories: capire le rocce che generano sismi  
Il principale scopo dell'analisi fisica di laboratorio è quello di comprendere la fisica delle faglie sismogenetiche. 
Gli esperimenti di laboratorio sono condotti a pressioni e temperature sismili a quelle dell'interno della Terra, dove i terremoti sono generati. Questi studi includono gli sforzi e le frizioni delle rocce nella zona di faglia, la velocità dele onde sismiche attravers le rocce ed il ruolo dei fluidi e flussi di fluidi nella faglia.

 

Campione di granito utilizzato in uno studio di laboratorio.

I dati ricavati dalle analisi sono studiati congiuntamente ad altri dati geofisici, allo scopo di comprendere i fenomeni che avvengono durante i sismi, come il trigger di un terremoto, la ricorrenza di questi o il moto del suolo.
 
BACKGROUND:
Molti terremoti crostali sono causati dal rapido movimento lungo faglie preesistenti. Questi rapidi movimenti sono relativi all'accumulo di sforzi contrastati dalla frizione la quale, una volta sovrastata dalle forze in gioco, cede con uno spostamento subitaneo dei blocchi di faglia: ecco il sisma. 
La comprensione della frizione esistente tra le rocce della faglia è fondamentale al fine di capire il meccanismo di generazione dei sismi. 
Un modello semplice di questo processo è quello riportato nella figura sotto, dove sono rappresentati un blocco di massa m ed una molla.










 
La massa m riposa sulla superficie, e una forza tangenziale f è applicata a questa massa tirando la molla con bassa velocità. Il plot della forza della molla, rispetto alla deformazione di questa ha un andamento:






La prima parte del grafico presenta un andamento lineare, che rispecchia la deformazione della molla all'applicazione della forza. In una seconda parte il grafico esce dall'andamneto lineare, è qua che il blocco inizia a spostarsi, battendo la forza di attrito con la superficie. Continuando l'applicazione della forza, il blocco tende ad avere uno spostamento repentino che provoca una drastica caduta nella forza della molla. Il ciclo si ripete fino a che il blocco non tende a scivolare ancora verso la direzione della forza tangenziale. Questo comportamento è molto sismile a quello che si ha nelle rocce posizionate ai due lati della faglia, quando vi sia una forza tale da generare un sisma. Nel modello semplice sopra si nota che il ciclo incomincia con un periodo di carico, senza spostamento del blocco, assimilabile al periodo intersismico. Nella fase successiva il materiali di faglia iniziano a perdere consistenza, e si hanno movimenti lenti precursori di uno slittamento veloce. Lo stadio finale è quello del sisma, che con un movimento rapido accomoda la deformazione generata dallo sforzo applicata e la forza cade in modo repentino.


Il modello semplice del blocco e della molla non è però totalmente adeguato alla risoluzione di tale problematica, e non aiuta molto nella simulazione del cmportamento di una faglia sottoposta a temperature e pressioni presenti nelle profondità della Terra. Sono così stati sviluppati svariati apparecchi atti alla simulazione dello scorrimento ri rocce a contatto, come nelle faglie.


Queste apparecchiature hanno permesso di sviluppare alcuni test, largamente usati al fine di comprendere il comportamento di rocce sottoposte a stress. Un primo esempio è quello dell'esperienza biassiale, dove un campione rettangolare è sottoposto a sollecitaizone su due assi, mentre il terzo è lasciato libero. Il campione viene portato a rottura applicando unosforzo differenziale lungo un asse di deformazione del campione. Da queste analisi è possibile determinare il coefficiente di attrito delle rocce, o più giustamente del amteriale di faglia, che molto spesso si presenta in stato fortemente alterato.





Il coefficiente di attrito µ è definito come il rapporto tra lo sforzo di taglio T (sforzo tangenziale applicato nella direzione dello slittamento) e sforzo normale ovvero quello sforzo che tiene unite le rocce tra di loro. Il parametro µ è fondamentale nello studio del comportamento delle rocce sottoposte a stress e quindi nella comprensione della genesi di sismi.




Un altro tipo di prova è quella triassiale, dove un campione di roccia cilindrico viene sigillato all'interno di una mebrana gommosa. A questo punto il capione è sopposto ad una pressione omogenea su tutte le sue parti attraverso una forza idraulica per simulare le condizioni di presione 3D presenti all'interno della Terra. Il campione viene poi portato a rottura applicando una ulteriore forza assiale che rappresenta la simulazione del nostro sforzo tettonico. Quello che si ricava è la forza necessaria alla rottura della roccia intatta, e la forza di attrito necessaria allo scorrimento in una frattura preesistente. Oltre ai parameri visti, un grande effetto sulla rottura è apportato dalla pressione dei fluidi nei pori e dalla temperatura della roccia. Anche queste condizioni sono riprodotte in laboratorio nei test triassiali, introducento acqua e calore nel campione durante il test.