LA DIMINUZIONE DEL COEFFICIENTE DI ATTRITO DURANTE UN

TERREMOTO: PROCESSI DI INDEBOLIMENTO

DINAMICO NEI CARBONATI

Laureando: Carlo Sommacampagna

Relatore: Prof. Giulio Di Toro

INDICE

1.Anatomia di un terremoto

2.Evidenze sperimentali e teoriche di indebolimento

dinamico

3. Indebolimento dinamico nei carbonati

3.1. Onde d’urto

3.2. Comportamento superplastico

4.Conclusioni

INDICE

1.Anatomia di un terremoto

2.Evidenze sperimentali e teoriche di indebolimento

dinamico

3. Indebolimento dinamico nei carbonati

3.1. Onde d’urto

3.2. Comportamento superplastico

4.Conclusioni

Propagazione della rottura e formazione di zona di scivolamento sismico (spessore < 1 cm).

Swanson, 1992

3 km /s

1 m/s

Specchio di faglia in dolomie: deformazione localizzata.

Fondriest et al., 2014

INDICE

1.Anatomia di un terremoto

2.Evidenze sperimentali e teoriche di indebolimento

dinamico

3. Indebolimento dinamico nei carbonati

3.1. Onde d’urto

3.2. Comportamento superplastico

4.Conclusioni

Evidenze sperimentali di indebolimento dinamico: il coefficiente di attrito diminuisce da 0.7 a 0.1 a velocità di scivolamento sismiche (1 m/s).

Di Toro et al., 2011

𝑓 =𝜏𝜎𝑛

Co

effi

cien

te d

i at

trit

o

Velocità di scivolamento (m/s)

0.7

0.1

Evidenze teoriche di indebolimento dinamico: il coefficiente di attrito diminuisce durante lo scivolamento cosismico, altrimenti…plasma!!!.

Au

men

to d

i te

mp

erat

ura

(°C

)

Rigetto (m)

0,7

0,1

40 cm

8293

1184

Profondità = 7 km Densità = 2750 kg/m3 = 75 MPa(rigetto) = variabile(velocità scivolamento) 1 m/s (calore spec. per unità vol.) 2,7 MPa/°C (diffusività termica) 0,0000007 m2/s

Rice, 2006

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1.Anatomia di un terremoto

2.Evidenze sperimentali e teoriche di indebolimento

dinamico

3. Indebolimento dinamico nei carbonati

3.1. Onde d’urto

3.2. Comportamento superplastico

4.Conclusioni

Marmo di Carrara (CaCO3).Esperimenti interrotti a rigetti crescenti. Forte diminuzione del coefficiente di attrito. Forte accelerazione iniziale.

coeff. attrito

vel. scivolamento

Vel

oci

tà s

civo

lam

ento

(m

/s)

Rigetto (m)

Co

effi

cien

te d

i at

trit

o

Dopo gli esperimenti i campioni sono analizzati (Focus Ion Beam – SEM)

Area investigata con HRTEM

HRTEM Da singoli cristalli di calcite adaggregatinanocristallini.

(I granuli originali di calcite erano di 130 mm)

Formazione di un aggregato nanocristallino per passaggio di onde d’urto (Molecular Dynamics Simulations).

Kai Kadau et al., 2002

2 nm

Sequenza degli eventi nei campioni di Marmo di Carrara

Formazione aggregato nanocristallino

Accelerazione iniziale

Onda d’urto

Diminuzione di (per collasso strutturale di tipo plastico?)

↓

↓

↓

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1.Anatomia di un terremoto

2.Evidenze sperimentali e teoriche di indebolimento

dinamico

3. Indebolimento dinamico nei carbonati

3.1. Onde d’urto

3.2. Comportamento superplastico

4.Conclusioni

Marmo di Carrara (CaCO3). Esperimento interrotto dopo un rigetto di 50 mm. Progressiva diminuzione del coefficiente di attrito dopo un rigetto di più di 7 mm.

coeff. attrito

vel. scivolamento

Vel

oci

tà s

civo

lam

ento

(m

/s)

Rigetto (m)

Co

effi

cien

te d

i at

trit

o

1 m

Al termine dell’esperimento:grani di calcite ricristallizzata

Immagine SE-FESEM

Comportamento superplastico = grain boundary sliding e diffusion creep.

Superficie di scivolamento

Esperimenti: nanostrutture tipiche da comportamentosuperplastico.

1 m

Immagine SE-FESEM Il campione di Marmo diCarrara ha mostrato uncomportamentosuperplastico.

𝜏𝑛=𝑒𝐻𝑅𝑇 �̇� 𝑑

3

𝐴

strain ratepreesponenziale energia di attivazione per innesco

Diffusion creep controlla il comportamento superplastico.

�̇�=𝐴𝑒− 𝐻𝑅𝑇 𝜏

𝑛

𝑑3

Il comportamento superplastico è un processo di indebolimento dinamico. Se aumenta per attrito diminuisce .

costante dei gastemperatura granulometria sforzo di taglio non-Newtoniano

𝑓 =𝜏𝜎𝑛

coeff. attrito

vel. scivolamento

Vel

oci

tà s

civo

lam

ento

(m

/s)

Rigetto (m)

Co

effi

cien

te d

i at

trit

o

Temperatura media superficie di scivolamento

400oC

20oC

Formazione aggregato nanocristallino

Comportamento superplastico

Diminuzione di

↓

↓

Sequenza degli eventi nel campione di Marmo di Carrara

20oC

400oC

Marmo: dalle onde d’urto al comportamento superplastico.

Spagnuolo et al., in prep.

Temperatura media superficie di scivolamento

Co

eff

icie

nte

di a

ttri

to

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1.Anatomia di un terremoto

2.Evidenze sperimentali e teoriche di indebolimento

dinamico

3. Indebolimento dinamico nei carbonati

3.1. Onde d’urto

3.2. Comportamento superplastico

4.Conclusioni

• Esperimenti riproducono le condizioni di deformazione

tipiche di un terremoto.

• Indebolimento dinamico si osserva in tutte le litologie,

ma i processi responsabili sono diversi e se ne possono

susseguire di diversi durante un singolo terremoto.

• Nel caso dei carbonati l’indebolimento dinamico è

attribuito a meccanismi di tipo (1) plastico, associato al

passaggio di onde d’urto, e (2) superplastico.

• I microprocessi associati ai terremoti non sono di tipo

fragile???