Vincoli alla circolazione dei fluidi della crosta superiore e alla sismogenesi dall'interno

Aug 04, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5548 (2023) Citare questo articolo

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La permeabilità delle zone di faglia gioca un ruolo significativo sulla distribuzione delle georisorse e sulla sismogenesi nella fragile crosta superiore, dove sia la sismicità naturale che quella indotta sono spesso associate alla migrazione dei fluidi e alla sovrappressione. Sono quindi necessari modelli dettagliati della struttura della permeabilità delle zone di faglia per affinare la nostra comprensione dei percorsi naturali dei fluidi e dei meccanismi che portano alla compartimentazione dei fluidi e alla possibile sovrapressione nella crosta. Le zone di faglia contengono comunemente architetture interne complesse definite dalla giustapposizione spaziale di “facies strutturali fragili” (BSF), che si formano ed evolvono progressivamente e continuamente durante la faglia e la deformazione. Presentiamo le prime misurazioni sistematiche della permeabilità dell'affioramento in situ da una serie di BSF da due zone di faglia architettonicamente complesse nell'Appennino settentrionale (Italia). Una forte eterogeneità spaziale della permeabilità odierna (fino a quattro ordini di grandezza) anche per BSF strettamente giustapposti appartenenti alla stessa faglia emerge come una caratteristica strutturale e idraulica chiave. Gli approfondimenti di questo studio ci consentono di comprendere meglio come complesse architetture di faglia guidano la struttura idraulica 3D della fragile crosta superiore. Le proprietà idrauliche della faglia, che possono cambiare nello spazio ma anche nel tempo durante un'orogenesi e/o singoli cicli sismici, a loro volta guidano lo sviluppo di volumi sovrappressi, dove può localizzarsi la sismogenesi indotta dai fluidi.

L'architettura interna delle zone di faglia può influenzare la formazione e l'accumulo di acque sotterranee, idrocarburi, minerali e flussi di fluidi controllati tettonicamente e strutturalmente nella fragile crosta superiore (ad esempio, 1,2,3). I fluidi sono di fondamentale importanza poiché controllano lo stress effettivo durante il ciclo sismico, influenzando così la meccanica della faglia e lo stile complessivo della deformazione4,5,6,7. È stato dimostrato che sia i terremoti naturali che quelli indotti dall’uomo e le sequenze sismiche possono essere innescati dalla sovrappressione dei fluidi7,8,9,10,11,12,13. Una caratterizzazione dettagliata dell'architettura della faglia con vincoli diretti sulla struttura di permeabilità interna delle faglie è, quindi, fondamentale per (i) comprendere la meccanica delle faglie a tutte le scale, (ii) sviluppare modelli raffinati di circolazione dei fluidi nella fragile crosta superiore (sismogenica). e delle relative conseguenze in termini di formazione e accumulo di georisorse e (iii) mitigare il rischio geologico dovuto a terremoti naturali e indotti.

Nel tipico modello di faglia “nucleo e zona danneggiata”, i nuclei di faglia sono raffigurati come barriere al flusso attraverso la faglia, mentre le zone danneggiate pervasivamente fratturate come condotti lungo la faglia (ad esempio, 14; Fig. 1a). Tuttavia, le architetture di faglia complesse possono differire da questo paradigma relativamente semplice poiché contengono strutture secondarie e correlate alla faglia associate a un comportamento idraulico distinto. La coesistenza all'interno di architetture di faglia eterogenee di domini strutturali con comportamenti idraulici notevolmente diversi può causare eterogeneità locali e di volume ed anisotropie del tensore di permeabilità locale. Nel dettaglio, oltre alla permeabilità primaria del protolite (permeabilità della matrice), è stato dimostrato che la permeabilità strutturale secondaria di una zona di faglia è governata dalla permeabilità delle singole rocce di faglia, delle fratture, della zona danneggiata e dalla loro architettura geometrica 3D ( ad esempio, 6,15,16). Ad esempio, i nuclei di faglia sono comunemente ricchi di fillosilicati che, sebbene tipicamente estremamente poco permeabili (es. 17,18), formano efficaci barriere idrologiche solo quando sono continui e fisicamente interconnessi. Le fratture aperte e le superfici di scorrimento hanno una permeabilità lungo il tratto governata dalla distribuzione e dalla connettività delle loro aperture (es. 19,20). La presenza di rocce di faglia caratterizzate da tessuti tettonici planari (ad esempio, aggregati di fasce di minerali argillosi e/o materiale insolubile) può anche influenzare fortemente la permeabilità all'interno del volume roccioso portando, ad esempio, a foliazioni “attraverso vs. lungo” notevolmente diverse. strutture di permeabilità, e quindi ripartizionando e modulando significativamente la circolazione dei fluidi nella crosta (eg,6,19,21). Inoltre, diversi studi hanno evidenziato che le faglie sono anche caratterizzate da proprietà idrauliche anisotrope e complesse che variano nel tempo (durante un'orogenesi o un ciclo sismico; Fig. 1) in risposta allo sviluppo di diverse rocce di faglia (es. ,23).