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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
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
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?)
↓
↓
↓
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
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
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
• 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???