Sicilia Report
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Dai mari della Nuova Zelanda una importante scoperta sul rapporto tra materiali argillosi e terremoti

Analizzati con un nuovo metodo presso i laboratori INGV i sedimenti argillosi provenienti dal margine di subduzione neozelandese di Hikurangi, zona in passato luogo di tsunami e terremoti

[Roma-Pisa-Padova, 3 maggio 2021] – I materiali argillosi delle faglie presenti nelle zone di subduzione, cioè dove una placca tettonica scivola al di sotto di un’altra placca, trattengono al loro interno un “cuscinetto d’acqua” e ciò fa sì che essi favoriscano terremoti potenzialmente capaci a provocare tsunami.  Questo è il risultato dello studio “Fluid pressurisation and earthquake propagation in the Hikurangi subduction zone”, condotto grazie alla collaborazione tra l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, le Università di Pisa e Padova, e la University College London, su alcuni campioni provenienti dalla zona di Hikurangi in Nuova Zelanda. Il lavoro è stato pubblicato di ‘Nature Communications’.
Nelle zone di subduzione” spiega Stefano Aretusini, ricercatore dell’INGV e primo autore dello studio, “lo scivolamento sismico che avviene a profondità crostali ridotte può portare alla generazione di tsunami e terremoti. A causa delle difficoltà sperimentali nel deformare i materiali presenti in queste aree, i processi fisici che riducono la resistenza della spinta cui è sottoposta la faglia sono poco conosciuti. Analizzando in laboratorio il comportamento dei campioni prelevati nella zona di subduzione di Hikurangi”, prosegue il ricercatore, “abbiamo scoperto che le argille presenti tendono ad avere una bassa resistenza alle spinte sismiche a causa dell’acqua in pressione che trattengono al loro interno”.

Per studiare il comportamento di queste argille provenienti dalla faglia i ricercatori hanno condotto degli esperimenti sui numerosi campioni raccolti durante la campagna internazionale di perforazione “Integrated Ocean Drilling Program 375” effettuata nel 2018 a largo dell’Isola Nord della Nuova Zelanda, a cui ha partecipato la professoressa Francesca Meneghini dell’Università di Pisa, seconda autrice del lavoro pubblicato.

In dettaglio, sono stati polverizzati i campioni delle rocce presenti all’interno della faglia.
Le polveri sono state testate nel Laboratorio Alta Pressione e Alte Temperature (HP-HT) dell’INGV attraverso un sofisticato apparato, SHIVA (Slow to High Velocity Apparatus) finanziato dall’European Research Council su un progetto di Giulio Di Toro, dell’Università di Padova e co-autore di questo studio, e riproduce il “motore” dei terremoti (la faglia) permettendo di osservare quello che accade all’interno della crosta terrestre e le deformazioni subite dalla roccia sotto fortissime pressioni. All’interno di SHIVA, le polveri sono state analizzate attraverso un nuovo metodo che ha consentito di trattenere al loro interno l’acqua mentre erano deformate alle velocità tipiche dei terremoti.

Attraverso i test di controllo condotti su un materiale le cui caratteristiche sono note, una polvere di marmo di Carrara, i ricercatori sono arrivati alla conclusione che queste argille favoriscono lo scorrimento sismico della faglia proprio a causa della loro capacità di trattenere acqua, caratteristica che le rende più ‘deboli’.

Quando ho deciso di partecipare alla spedizione oceanografica”, racconta Francesca Meneghini, “ho subito contattato i colleghi dell’INGV e dell’Università di Padova, coi quali collaboro da anni, certa che fosse un’opportunità unica per testare la nuova tecnica sperimentale sviluppata all’Istituto e dare un ulteriore contributo alla nostra conoscenza dei fenomeni sismici”.

I successivi sviluppi di questa ricerca”, conclude Stefano Aretusini, “saranno quelli di analizzare con lo stesso metodo anche altri tipi di materiali campionati durante la missione per cercare di comprendere quali tra essi possono favorire il processo di scuotimento sismico una volta arrivati alla zona di subduzione”.

 

La scheda
Chi: Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Università di Pisa, Università di Padova e University College London (UCL).
Cosa: Analizzati con un nuovo metodo presso i laboratori INGV i sedimenti argillosi provenienti dal margine di subduzione neozelandese di Hikurangi, zona in passato luogo di tsunami e terremoti.
Dove: Lo studio “Fluid pressurisation and earthquake propagation in the Hikurangi subduction zone” è stato pubblicato sulla rivista internazionale Nature Communications.
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22805-w

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Abstract
In subduction zones, seismic slip at shallow crustal depths can lead to the generation of tsunamis. Large slip displacements during tsunamogenic earthquakes are attributed to the low coseismic shear strength of the fluid-saturated and non-lithified clay-rich fault rocks. However, because of experimental challenges in confining these materials, the physical processes responsible for the coseismic reduction in fault shear strength are poorly understood. Using a novel experimental setup, we measured pore fluid pressure during simulated seismic slip in clay-rich materials sampled from the deep oceanic drilling of the Pāpaku thrust (Hikurangi subduction zone, New Zealand). Here, we show that at seismic velocity, shear-induced dilatancy is followed by pressurisation of fluids. The thermal and mechanical pressurisation of fluids, enhanced by the low permeability of the fault, reduces the energy required to propagate earthquake rupture. We suggest that fluid-saturated clay-rich sediments, occurring at shallow depth in subduction zones, can promote earthquake rupture propagation and slip because of their low permeability and tendency to pressurise when sheared at seismic slip velocities.

In foto di copertina:
Fig. a) Zona di subduzione: la stella gialla indica la posizione dove originano i terremoti che possono provocare onde di tsunami.
Fig, b) Ingrandimento al fronte di scorrimento sismico: evoluzione di velocità (linea rossa), sforzo di taglio (linea nera), pressione dell’acqua (linea blu) all’interno della faglia.

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