Restricciones en la circulación del líquido de la corteza superior y la sismogénesis desde adentro

Aug 04, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5548 (2023) Citar este artículo

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La permeabilidad de las zonas de falla juega un papel importante en la distribución de recursos geográficos y en la sismogénesis en la frágil corteza superior, donde tanto la sismicidad natural como la inducida a menudo están asociadas con la migración de fluidos y la sobrepresión. Por lo tanto, se necesitan modelos detallados de la estructura de permeabilidad de las zonas de falla para perfeccionar nuestra comprensión de las vías naturales de los fluidos y de los mecanismos que conducen a la compartimentación de los fluidos y a una posible sobrepresión en la corteza. Las zonas de falla comúnmente contienen arquitecturas internas complejas definidas por la yuxtaposición espacial de "facies estructurales frágiles" (BSF), que se forman y evolucionan progresiva y continuamente durante las fallas y la deformación. Presentamos las primeras mediciones sistemáticas de permeabilidad de afloramientos in situ de una variedad de BSF de dos zonas de fallas arquitectónicamente complejas en los Apeninos del Norte (Italia). Una marcada heterogeneidad espacial de la permeabilidad actual (hasta cuatro órdenes de magnitud), incluso para BSF estrechamente yuxtapuestas que pertenecen a la misma falla, emerge como una característica estructural e hidráulica clave. Los conocimientos de este estudio nos permiten comprender mejor cómo las complejas arquitecturas de fallas dirigen la estructura hidráulica tridimensional de la frágil corteza superior. Las propiedades hidráulicas de las fallas, que pueden cambiar en el espacio pero también en el tiempo durante una orogénesis y/o ciclos sísmicos individuales, a su vez dirigen el desarrollo de volúmenes sobrepresionados, donde puede localizarse la sismogénesis inducida por fluidos.

La arquitectura interna de las zonas de falla puede afectar la formación y acumulación de agua subterránea, hidrocarburos, minerales y flujo de fluido controlado tectónica y estructuralmente en la frágil corteza superior (por ejemplo, 1,2,3). Los fluidos son de suma importancia ya que controlan la tensión efectiva durante el ciclo sísmico, afectando así la mecánica de fallas y el estilo general de deformación4,5,6,7. Se ha demostrado que tanto los terremotos naturales como los inducidos por el hombre y las secuencias sísmicas pueden ser desencadenados por una sobrepresión de fluido7,8,9,10,11,12,13. Por lo tanto, una caracterización detallada de la arquitectura de fallas con restricciones directas sobre la estructura de permeabilidad interna de las fallas es fundamental para (i) comprender la mecánica de las fallas en todas las escalas, (ii) desarrollar modelos refinados de circulación de fluidos en la frágil corteza superior (sismogénica). y de las consecuencias de los mismos en términos de formación y acumulación de georrecursos y (iii) mitigar el riesgo geológico por sismos naturales e inducidos.

En el modelo típico de fallas de “núcleo y zona de daño”, los núcleos de falla se representan como barreras para el flujo a través de la falla, mientras que las zonas de daño ampliamente fracturadas son conductos a lo largo de la falla (p. ej., 14; Fig. 1a). Sin embargo, las arquitecturas de fallas complejas pueden diferir de este paradigma relativamente simple, ya que contienen estructuras secundarias y relacionadas con fallas asociadas con un comportamiento hidráulico distinto. La coexistencia dentro de arquitecturas de fallas heterogéneas de dominios estructurales con comportamientos hidráulicos notablemente diferentes puede causar heterogeneidades y anisotropías locales y generales del tensor de permeabilidad local. En detalle, además de la permeabilidad primaria del protolito (permeabilidad de la matriz), se ha demostrado que la permeabilidad estructural secundaria de una zona de falla está gobernada por la permeabilidad de las rocas de falla individuales, las fracturas, la zona de daño y por su arquitectura geométrica 3D ( ej., 6,15,16). Por ejemplo, los núcleos de fallas suelen ser ricos en filosilicatos que, aunque típicamente son extremadamente poco permeables (p. ej., 17, 18), forman barreras hidrológicas efectivas sólo cuando son continuos y están físicamente interconectados. Las fracturas abiertas y las superficies de deslizamiento tienen una permeabilidad a lo largo del recorrido gobernada por la distribución y conectividad de sus aperturas (p. ej., 19, 20). La presencia de rocas de falla caracterizadas por estructuras tectónicas planas (por ejemplo, agregados de bandas de minerales arcillosos y/o material insoluble) también puede afectar fuertemente la permeabilidad dentro del volumen de roca, lo que lleva, por ejemplo, a una foliación notablemente diferente "a lo largo y a lo largo". estructuras de permeabilidad y, por lo tanto, dividir y modular significativamente la circulación de fluidos en la corteza (p. ej., 6, 19, 21). Además, varios estudios han destacado que las fallas también se caracterizan por propiedades hidráulicas anisotrópicas y complejas que varían a través del tiempo (durante una orogénesis o un ciclo sísmico; Fig. 1) en respuesta al desarrollo de diferentes rocas de falla (p. ej.,19,22 ,23).

(a) Modelo típico de fallas de “núcleo de falla y zona de daño” (redibujado y modificado de 14) en el que los núcleos de falla de baja permeabilidad proporcionan una barrera para el flujo a través de la falla y las zonas de dagame de alta permeabilidad y fracturadas generalizadas proporcionan un conducto preferencial a lo largo de la falla. También se muestra la variación clásica de la permeabilidad global durante los ciclos sísmicos (es decir, a través del tiempo). (b) Bosquejo del subsuelo de un volumen fallado y de los métodos de investigación más adoptados para la determinación de la permeabilidad de la falla. Esta figura ha sido creada con Adobe Illustrator 2022 (https://www.adobe.com/products/illustrator.html).

Recientemente, la Ref.24 proporcionó una compilación actualizada de las permeabilidades de zonas de fallas activas y fósiles existentes a partir de pruebas directas (por ejemplo, análisis in situ o de laboratorio en el fondo del pozo) y/o de la porosidad de la roca, análisis de imágenes o estimaciones del flujo de fluidos subterráneos. La compilación exhaustiva destaca que los métodos de investigación más adoptados son (i) análisis de laboratorio en condiciones controladas de presión y temperatura (P–T) en tapones de núcleo para calcular la permeabilidad global de unos pocos cm3 de roca que contiene redes de microfracturas y (ii) profundidad de pozo en Pruebas in situ para medir la permeabilidad total de zonas de fallas complejas en condiciones naturales de P – T (Fig. 1b). A pesar de todo este conocimiento, todavía falta una caracterización sistemática y detallada de la permeabilidad y variabilidad de las fallas dentro del marco de las arquitecturas de fallas individuales.

Los dominios estructurales deformados de forma variable se pueden preservar dentro de los sistemas de fallas y representan archivos de la firma geométrica, cinemática, mecánica y geoquímica heredada de una falla y su evolución de permeabilidad en el tiempo y el espacio. Estos dominios han sido denominados recientemente “facies estructurales frágiles—BSF” y definidos como “volúmenes de roca deformados caracterizados por un tipo de roca de falla determinado, textura, color, composición y edad de formación” y “que generalmente exhiben límites definidos y relaciones transversales complejas”. con dominios vecinos y cuyo desmoronamiento es crucial para establecer una secuencia temporal relativa de (de)formación” (25). La identificación detallada de las BSF, su distribución espacial dentro de las zonas de falla y el análisis sistemático de sus propiedades de permeabilidad ofrecen la posibilidad de avanzar aún más en nuestra comprensión de (i) la estructura de permeabilidad de zonas de falla complejas en 3D, (ii) la compartimentación hidráulica dentro de las zonas de falla. corteza fallada, y posiblemente, (iii) variaciones de la misma a través del espacio y el tiempo.

Con el objetivo de desarrollar aún más nuestra comprensión de la evolución de la estructura de permeabilidad de las fallas, informamos los primeros valores de permeabilidad de afloramientos in situ de dos fallas regionales seleccionadas en los Apeninos del norte de Italia que representan ejemplos sobresalientes de arquitecturas de fallas complejas. Nuestro objetivo es limitar los valores de permeabilidad global de sus BSF para describir la variabilidad de la permeabilidad a lo largo y a través de esas complejas zonas de falla. Discutimos las fallas Zuccale y Boccheggiano (en adelante denominadas ZF y BF, respectivamente), que representan sitios ideales para investigar propiedades de permeabilidad heterogéneas debido a su compleja arquitectura interna y excelente exposición.

Mostramos que las propiedades hidráulicas heterogéneas de fallas complejas y de larga duración impulsan la aparición de volúmenes (transitorios) de baja permeabilidad que potencialmente pueden generar sobrepresión de fluido y causar sismogénesis. Las variaciones en la permeabilidad de la falla pueden ser (i) notables (hasta cuatro órdenes de magnitud) en el espacio, incluso dentro de una sola zona de falla, y en el tiempo, durante la evolución continua de la falla, y (ii) generalmente asociadas con el desarrollo de BSF que, cada uno con sus distintas propiedades hidráulicas, se forman progresivamente y evolucionan durante el crecimiento de fallas y ciclos sísmicos repetidos.

Nuestros resultados representan una restricción de primer orden en la permeabilidad actual en condiciones superficiales y, por lo tanto, no pueden extrapolarse directamente a la profundidad y al pasado. Para ello, sería necesario considerar también los efectos de los cambios P-T y las diferentes condiciones de deformación. A pesar de estas limitaciones, este estudio representa un primer paso hacia la caracterización detallada in situ de la estructura de permeabilidad de fallas complejas.

Las fallas de Zuccale y Boccheggiano son estructuras regionales de los Apeninos del Norte de Italia (Fig. 2). Los Apeninos resultaron de la convergencia cenozoica entre Europa y las placas África-Adria durante la subducción dirigida hacia el oeste del océano Liguro-Piemontese y del margen continental Adria debajo de Europa (por ejemplo, 26). La estructura de primer orden de los Apeninos resulta de la superposición de acortamiento y extensión de la corteza asociada con el desarrollo del arco posterior del Tirreno (p. ej., 26). En los Apeninos del Norte, el acortamiento comenzó durante el Oligoceno tardío, lo que condujo a un cinturón de pliegues y corrimientos que converge hacia el este (p. ej., 26; Fig. 2a). Las rocas involucradas en los Apeninos del Norte consisten en secuencias siliciclásticas metamórficas del Permo-Triásico (Fm. Verrucano) y Paleozoicas (Unidades Metamórficas Toscanas), complejos metamórficos y no metamórficos que contienen ofiolitas (Unidades de Liguria y Subliguria) y carbonatos marinos del Mesozoico-Cenozoico ( Nappe toscano (por ejemplo, 27; Fig. 2a). Los flysches siliciclásticos sinorogénicos se incorporaron progresivamente en el cinturón de pliegue y empuje que avanzaba (p. ej., 27; Fig. 2a).

(a) Mapa geológico simplificado de los Apeninos del Norte (Italia) que muestra las unidades tectónicas, los principales cabalgamientos y fallas normales, y la ubicación de las fallas de Zuccale y Boccheggiano. Redibujado y modificado de 35. (b) Mapa geológico simplificado del área de estudio (Punta Zuccale, Isla de Elba), donde queda expuesta la falla de Zuccale. También se muestra una sección transversal a lo largo de la falla Zuccale (modificada y rediseñada a partir de 33). (c) Mapa geológico simplificado y sección transversal de la falla de Boccheggiano (redibujada y modificada de 37). Esta figura ha sido editada con Adobe Illustrator 2022 (https://www.adobe.com/products/illustrator.html).

La extensión postorogénica en el sector Tirreno de los Apeninos comenzó en el Mioceno medio-tardío y se asoció con fallas normales, exhumación de complejos subducidos, magmatismo e hidrotermalismo y metalogénesis estructuralmente controlados (p. ej., 28, 29; Fig. 2a). La extensión migró progresivamente hacia el este y actualmente está activa en la porción axial del cinturón donde los fluidos sobrepresionados localmente promueven la sismicidad a lo largo (principalmente) NW-SE golpeando sistemas de fallas normales (por ejemplo, 30, 31).

La falla de Zuccale (ZF) de ángulo bajo se encuentra en el este de Elba (archipiélago toscano, interior de los Apeninos del Norte; Fig. 2a, b), y está formada por una pila de astillas tectónicas de la Napa toscana y la Liguria, con metamorfosis variable y no metamórficas. Unidad imbricada hacia el NE (p. ej., 32; Fig. 2b). La pila de napa alberga intrusiones monzograníticas del Mioceno tardío (plutones Monte Capanne y Porto Azzurro, por ejemplo, 28; Fig. 2a, b). La ZF corta de manera discordante la Zona de Corte Calanchiole (CSZ), una zona de corte de arriba a E (compresión) definida por mármol calcomilonítico (p. ej., 33).

Aún se debate el papel y la importancia de la ZF en el marco de los Apeninos del Norte. Inicialmente se interpretó como una LANF (falla normal de ángulo bajo) que albergaba una extensión del Mioceno tardío y del Plioceno (por ejemplo,34) y esta interpretación sigue siendo válida para muchos investigadores. Posteriormente, se ha sugerido que el ZF representa el segmento plano de un empuje de Aquitania reactivado durante el empuje fuera de secuencia del Plioceno temprano (p. ej., 33, 35). Independientemente de este debate y del impacto regional del ZF sobre la evolución tectónica local, el ZF se destaca como una falla notable y compleja que se adapta a un desplazamiento kilométrico (Fig. 2b).

La falla de Boccheggiano (BF) está ubicada en el área de Boccheggiano-Montieri de los Apeninos del Norte (Fig. 2a, c) y pertenece al sistema de fallas extensionales de choque NO-SE y de inmersión E que controla la arquitectura estructural del Plioceno-Pleistoceno del sur. ramal del área geotérmica Larderello-Travale (36,37,38; Fig. 2a). Representa el límite tectónico oriental de la ventana tectónica de Boccheggiano, donde afloran secuencias metamórficas de bajo grado de las Unidades Metamórficas Toscanas (36; Fig. 2c). Estudiamos el BF ya que ofrece la posibilidad de investigar la estructura de permeabilidad de una falla compleja que controló (i) la exhumación de un basamento metamórfico en la pared inferior de una falla normal y (ii) el flujo hidrotermal y la formación de depósitos de mineral asociados. De hecho, el BF cruza en c. Intrusiones graníticas de 3 km de profundidad (Fig. 2c) que representan la fuente de fluidos responsables de la deposición de mineral de sulfuro polimetálico dentro de la zona de daño del BF, como lo muestra la interpretación de imágenes de reflexión sísmica36.

Se llevaron a cabo análisis estructurales y mediciones de permeabilidad del afloramiento in situ en los principales elementos estructurales de ZF y BF (superficie de deslizamiento principal—PSS, facies estructurales frágiles—BSF y, cuando fue posible, roca huésped no deformada). Las mediciones de permeabilidad del afloramiento in situ de la ZF siguieron la descripción de la arquitectura de falla y las BSF de la Ref.35, que proporciona la caracterización más reciente de la ZF como un mosaico de al menos seis BSF formadas en diferentes momentos durante la actividad de la falla a largo plazo. Las mediciones de la permeabilidad del afloramiento in situ a lo largo del BF se realizaron de acuerdo con nuestra propia identificación de BSF realizada ampliando la caracterización de fallas disponible en las Refs.37,38. Para caracterizar las propiedades intrínsecas de permeabilidad primaria de PSS, BSF y roca huésped, excluimos las fracturas secundarias de nuestras mediciones de afloramientos in situ. Además, se evitaron los posibles efectos de alteración superficial que podrían conducir a resultados espurios limpiando sistemáticamente los sitios de medición y omitiendo las exposiciones de rocas claramente erosionadas. Se llevaron a cabo mediciones de permeabilidad de afloramiento in situ en BSF seleccionados, tanto paralelos como perpendiculares al lecho S0 (cuando se conserva) y/o a la foliación tectónica Sn para investigar el efecto de las anisotropías planas (primarias y/o secundarias) sobre las propiedades de permeabilidad. dentro de la arquitectura de falla. Los datos de permeabilidad del afloramiento in situ se adquirieron con un minipermeámetro de aire TinyPerm-3 de New England Research calibrado por el fabricante según estándares conocidos. El TinyPerm permite la investigación de campo de la permeabilidad de la roca (a granel) en el rango de 10–11–10–15 m2 dentro de volúmenes de roca de 1–1,5 cm3, aunque pruebas de laboratorio controladas han demostrado su capacidad para medir valores tan bajos como 10 –17m239. En el modo de permeabilidad de roca en masa, el minipermeámetro de aire produce directamente una estimación de la permeabilidad basada en el caudal de aire saliente del recipiente de compresión incorporado en el instrumento. Los valores de permeabilidad obtenidos de la minipermeametría del aire deben corregirse y estandarizarse para que sean comparables con los valores de permeabilidad obtenidos de pruebas de laboratorio en tapones de roca o análisis de imágenes39,40. En detalle, los minipermeámetros de aire arrojan valores de permeabilidad mayores (por un factor de aproximadamente 1,7) en comparación con los resultados derivados de cuantificaciones de análisis de imágenes40, o permeabilidades más bajas (-37 %) que las obtenidas a partir de tapones de roca pequeños (< 10 cm). utilizado en pruebas de laboratorio39. Los resultados de permeabilidad se describen a continuación, se ilustran en la Fig. 8 y se enumeran en la Tabla S1. En el material complementario S1 se proporcionan más detalles sobre la adquisición y el análisis de datos.

Estudiamos la ZF en su exposición más conocida, Punta Zuccale en Elba (Figs. 2b y 3), donde los afloramientos continuos permiten el análisis detallado de la arquitectura interna de la falla. Adoptamos la caracterización estructural de la ZF por la Ref.35, que, de abajo hacia arriba de la sección Punta Zuccale, distingue seis BSF (Fig. 3). Nos centramos específicamente en los siguientes elementos estructurales (Fig. 3), que son los más representativos de la arquitectura interna de esta falla madura:

Superficie de deslizamiento principal (PSS): plano de falla discreto decorado con fibras resbaladizas de calcita que indican una sensación de corte de arriba a E (Fig. 4a, b).

BSF 1: Cataclasita foliada de color amarillento con discretas capas de gubia. La matriz de cataclasita está formada por dolomita secundaria, calcita, cuarzo, minerales arcillosos y óxidos de Fe con clastos milimétricos y centimétricos de piedra caliza, cuarcita y granito. Las capas de gubias son endurecidas, verdosas, cohesivas, sostenidas por una matriz y foliadas localmente. BSF 1 descansa sobre el PSS y está delimitado por el flysch del Cretácico en la parte superior (PSS; Fig. 4c-e).

BSF 3: Cuerpo lensoidal de filonita de calco-milonita, talco-filonita y talco-tremolita. La filonita está formada por una alternancia dentada de capas bien foliadas de color verdoso (BSF3a), blanquecina (BSF3b) y pardusca (BSF3c) de entre centímetros y decenas de centímetros de espesor y que reflejan una estratificación composicional formada por talco-esmectita-tremolita, capas ricas en calcita y filosilicato (Fig. 5a).

Flysch del Cretácico (bloque de pared colgante): bandas localizadas de cataclasita foliada que incrustan litones sigmoideos alargados de protolitos menos deformados a no deformados (Fig. 4c-e).

Cuarcita del Verrucano Fm. (bloque de pie): ca. Cuarcita cataclástica de 1 m de espesor caracterizada por una porción basal pobremente foliada y una porción superior altamente foliada que contiene tectonitas SC que indican una cinemática de arriba a E. Las cuarcitas están limitadas en la parte superior por un mármol calc-milonítico (Fig. 5b).

Mármol calc-milonítico (mármol Calanchiole, bloque de suelo): aprox. Mármol calco-milonítico de tremolita y talco de 1 m de espesor que contiene un tejido milonítico SC omnipresente sumergido ca. 40 ° hacia el oeste e indica una cinemática de arriba a E (Fig. 5b).

Mapa geológico de Punta Zuccale que muestra (i) la distribución de las facies estructurales frágiles (BSF) de la falla de Zuccale como se describe en 35 y (ii) las estaciones estructurales donde se llevaron a cabo mediciones de permeabilidad de afloramientos in situ. El diagrama de bloques ilustra la distribución de BSF a lo largo de las secciones transversales naturales NS y EW a las que se puede acceder directamente a lo largo de la costa de Punta Zuccale (redibujado y modificado desde 35 con Adobe Illustrator 2022 (https://www.adobe.com/products/illustrator .html).

(a) Medición de la permeabilidad del afloramiento in situ mediante minipermeametría de aire TinyPerm-3 ortogonal al PSS de la ZF. (b) PSS estriado del ZF que se adapta a la cinemática de arriba a E. La red Schmidt (proyección del hemisferio inferior) traza la orientación del PSS y de las líneas de referencia relativas. (c) PSS, superpuesto a BSF 1 y flysch del Cretácico que contiene tectonitas YP cuya actitud se muestra en la red Schmidt (proyección del hemisferio inferior) en (c). (d) Detalle de BSF 1 y flysch del Cretácico caracterizado por litones alargados incrustados dentro de la matriz foliada. (e) Detalle del área de mediciones de permeabilidad recolectadas ortogonales a las tectonitas YP.

(a) BSF3 caracterizado por capas verdosas (BSF3a), blanquecinas (BSF3b) y parduscas (BSF3c). (b) Cuarcitas de la Fm. Verrucano. y mármol Calanchiole superpuesto. Las cuarcitas se caracterizan por tener una porción inferior poco foliada y una porción superior muy foliada. La foliación tectónica dentro del mármol Calanchiole se muestra y traza dentro de la red Schmidt (proyección del hemisferio inferior).

Nuestra caracterización estructural del BF amplía las Refs.37,38. En detalle, las rocas de falla descritas por esos autores se atribuyen aquí a distintas BSF (Fig. 6a).

(a) Representación esquemática del afloramiento mejor expuesto de la falla de Boccheggiano donde llevamos a cabo mediciones de permeabilidad del afloramiento in situ. Se muestra la distribución de BSF a lo largo de la falla de Boccheggiano. (b) Afloramiento de la falla de Boccheggiano que muestra las BSF que forman la compleja arquitectura de la falla de Boccheggiano. (c) Detalle de las BSF2 y BSF3 que forman el núcleo de falla de Boccheggiano.

El BF yuxtapone rocas marinas de carbonato silíceo del Cretácico Argille a Palombini Fm. de la Unidad de Liguria en la pared colgante contra el micaesquisto Paleozoico de las Unidades Metamórficas Toscanas en la pared inferior (36,37,38; Figs. 2c y 6a). La Argille a Palombini Fm. está bien estratificado, plegado localmente (Figs. 6a y 7a) y, en la pared colgante inmediata del BF, metasomatizado y mineralizado para formar un depósito masivo de mineral de sulfuro con minerales de ganga de cuarzo-adularia-sericita, con un espesor máximo de ~ 10 m. , y conocido como “Filone di Boccheggiano” (al que en adelante nos referiremos como BSF 1; Figs. 6a, by 7b; 37, 38).

Estaciones de mediciones de permeabilidad a lo largo del BF. (a) Lutitas pertenecientes a la unidad de pared colgante (Argille a Palombini Fm.). (b) BSF1. (c) BSF2 (por debajo del PSS) y BSF3. Tenga en cuenta que el límite (irregular) entre BSF2 y BSF3 (línea de puntos blanca) está cortado por una superficie de deslizamiento secundaria posterior (línea de puntos roja). (d) Micasquisto de la unidad de pared inferior (base paleozoica). (e) BSF4 caracterizado por fracturas por cizallamiento.

El núcleo de la falla está limitado arriba por un PSS discreto, tiene un espesor máximo de ~ 1 m, se estrecha hacia arriba (Fig. 6a, b) e incluye (i) un ca. Capa de brecha de falla pardusca de 1 m de espesor con clastos angulares y gruesos de micaesquisto del basamento metamórfico del Paleozoico y vetas de pirita de cuarzo (BSF 2; Fig. 6a-c) y (ii) una brecha negra, ca. Capa de 50 cm de espesor de gubia de filosilicato foliado cohesivo que contiene clastos subredondeados milimétricos de micaesquisto del basamento metamórfico del Paleozoico y vetas de pirita de cuarzo (BSF 3; 37, 38; Fig. 6a-c). El límite entre BSF 2 y BSF 3 tiene una forma irregular y está cortado por una superficie de deslizamiento secundaria (Figs. 6c y 7c). Los micaesquistos paleozoicos en la pared del pie se caracterizan por una estructura SL omnipresente que, dentro de los primeros ~ 10 m desde la superficie de la falla, está sobreimpresa por fracturas de corte que definen la estructura de la cataclasita de la pared del pie de ~ 10 m de espesor (BSF 4; Figs. 6a y 7d). ;37,38). La cataclasita de la pared inferior también contiene (i) vetas de brechas de sulfuro de cuarzo subhorizontales que forman cuerpos masivos de pellizco e hinchazón y (ii) fallas normales sintéticas con inmersión NE (37,38; Fig. 7e).

Los resultados de las mediciones de permeabilidad de afloramientos in situ de ZF y BF se describen primero por separado, pero luego se analizan en conjunto para permitir sacar conclusiones generales sobre la arquitectura de permeabilidad de zonas de fallas complejas.

El PSS produjo la permeabilidad media más baja (~ 3 × 10–15 m2) de toda la arquitectura ZF, con valores ortogonales al PSS que oscilan entre ~ 10–17 y ~ 10–13 m2 (Fig. 8). Los valores de permeabilidad paralelos a los planos de foliación dentro de BSF 1 oscilan entre 10–12 y 10–11 m2, con una media de ~ 4 × 10–12 m2 (Fig. 8).

Resultados de la permeabilidad al aire del afloramiento in situ (m2, D) a lo largo de la falla Zuccale y la falla Boccheggiano. Se reportan los BSF correspondientes, elementos estructurales y orientación de las mediciones con respecto a las foliaciones tectónicas. N: número de mediciones. Cada cuadro del diagrama de caja y bigotes representa el rango entre el primer y el tercer cuartil de la distribución. Todo el rango de datos está representado por la extensión de los bigotes.

La permeabilidad ortogonal a la foliación dentro del flysch del Cretácico tiene un valor medio de ~ 5 × 10–14 m2, oscila entre ~ 10–15 y 10–12 m2 y es hasta 3 órdenes de magnitud menor que la permeabilidad medida paralelamente a la foliación dentro del flysch del Cretácico. foliación, que oscila entre ~ 5 × 10–12 y 10–11 m2 (Fig. 8). Los valores paralelos al clasto sigmoidal alargado incrustados dentro de las tectonitas oscilan entre ~ 10–12 y 2 × 10–12 m2. Cuarcitas del Verrucano Fm. arrojan valores de permeabilidad que varían en función de la intensidad de la foliación. En detalle, la porción basal y pobremente foliada tiene valores mínimos y medios hasta un orden de magnitud mayores que los medidos a lo largo de la porción superior altamente foliada (entre ~8 × 10–15 y 10–12 m2 y una media de ~5 × 10 –13 m2 en el primero y entre ~ 5 × 10–16 y 5 × 10–12 m2 y una media de ~ 6 × 10–14 m2 en el segundo (Fig. 8). La permeabilidad paralela a la foliación milonítica dentro del mármol calc-milonítico CSZ es hasta cinco órdenes de magnitud mayor (10–12–10–11 m2) que la medida ortogonal a la foliación milonítica (10–16 ÷ 10–14 m2; Figura 8).

BSF 3 tiene valores de permeabilidad entre 10–13 y ~ 10–11 m2, aunque se han obtenido valores ligeramente diferentes de los tres dominios diferentes. En detalle, la permeabilidad del BSF 3a, byc tiene valores medios de ~ 4 × 10–12, ~ 3 × 10–13 y ~ 7 × 10–13 m2, respectivamente (Fig. 8).

La unidad de pared colgante (rocas marinas de carbonato silíceo de la Fm. Argille a Palombini) tiene valores de permeabilidad medidos en paralelo a S0 que son de uno a cuatro órdenes de magnitud superiores a los medidos ortogonalmente a S0 (entre ~ 4 × 10–14 y 2 × 10–12 m2 para el primero y entre ~ 4 × 10–16 y ~ 6 × 10–15 m2 para el segundo (Fig. 8). BSF 1 tiene valores de permeabilidad entre ~ 3 × 10–16 m2 y 10–12 m2, con un valor medio de ~ 6 × 10–15 m2 (Fig. 8). BSF 2 tiene la permeabilidad más alta medida a lo largo del BF, entre 10–12 y 10–11 m2, con un valor medio de 4 × 10–12 m2 (Fig. 8). La permeabilidad de BSF 3 disminuye sistemáticamente hasta 4 órdenes de magnitud (de ~ 4 × 10–12 m2 a ~ 7 × 10–16 m2; Fig. 8) hacia la superficie de deslizamiento secundaria (es decir, de abajo hacia arriba), que corta el límite BSF 2-BSF 3 (Fig. 8). La permeabilidad paralela a las fracturas por cortante dentro de BSF 4 varía de ~ 5 × 10–12 a ~ 6 × 10–16 m2 (por debajo del límite de confiabilidad real del minipermeámetro de aire) con un valor medio de ~ 7 × 10–14 m2 ( Figura 8). La permeabilidad dentro del basamento paleozoico de la pared inferior exhibe valores muy diferentes dependiendo de si se mide paralela u ortogonal a la foliación (Fig. 8). En detalle, la permeabilidad ortogonal a la foliación es la más baja medida para todo el BF, ya que es hasta cuatro órdenes de magnitud menor que la medida paralela a la foliación y tiene un valor mínimo y medio de ~ 8 × 10–17 m2 y ~ 1 × 10–15 m2, respectivamente (Fig. 8).

Nuestros resultados limitan la permeabilidad actual de las rocas de falla estudiadas en el afloramiento. Cualquier extrapolación a la profundidad (por ejemplo, a profundidad sismogénica) necesitaría considerar los efectos del aumento del confinamiento y la temperatura y la presencia de fluidos hidrotermales (por ejemplo, 37, 38), que generalmente promueven una disminución general de la permeabilidad (por ejemplo, 41). De hecho, (i) las pruebas de permeabilidad de laboratorio en diferentes litotipos (por ejemplo, mármol, carbonato y dolomía) y (ii) la comparación de las pruebas de permeabilidad de fondo de pozo y de laboratorio documentan una disminución general de la permeabilidad al aumentar la presión de confinamiento y/o la profundidad (por ejemplo,7, 15,42,43,44;Figura 9). Por este motivo, podemos utilizar nuestros resultados solo para limitar las diferencias de permeabilidad relativa en masa entre las BSF que forman la compleja arquitectura interna de las zonas de falla investigadas. Además, como ya se mencionó, la minipermeametría del aire tiende a producir (i) valores de permeabilidad más altos (por un factor de aproximadamente 1,7) en comparación con los resultados de las cuantificaciones de análisis de imágenes40, pero (ii) valores más bajos (-37%) que los de pequeñas permeabilidades. (< 10 cm) tapones de roca para pruebas de laboratorio39. Además, cualquier comparación de los datos de permeabilidad del gas (p. ej., aire) y del agua debe considerar el efecto Klinkenberg45, que mejora el flujo de gas (en relación con el flujo de agua) debido al deslizamiento en las paredes de los poros, con el resultado neto de que la permeabilidad del gas es generalmente mayor que la del agua. permeabilidad. No obstante, se ha demostrado que la diferencia relacionada con el efecto Klinkenberg entre la permeabilidad al gas y al agua oscila entre el 4 y el 16% para valores de permeabilidad < 10-18 m2, es decir, inferiores a los obtenidos en este trabajo46,47. Por lo tanto, nuestros valores de permeabilidad al aire pueden usarse e interpretarse como representativos también de la permeabilidad al agua.

Rango de permeabilidad para diferentes rocas, rocas de falla y volúmenes de la corteza terrestre según lo restringido por pruebas de laboratorio y de fondo de pozo, migración de sismicidad y permeametría de afloramiento in situ. Los valores de permeabilidad predichos por los modelos de permeabilidad de la escala de la corteza superior también se muestran mediante curvas de puntos negros.

En conjunto, los métodos de investigación más adoptados para limitar la permeabilidad, incluidas las pruebas de fondo de pozo y de laboratorio y la migración de sismicidad natural o inducida7,9,15,42,43,44,48,49,50,51,52,53,54,55 , resaltan que la permeabilidad de la corteza frágil superior (fallada) abarca más de 15 órdenes de magnitud, desde condiciones drenadas (> 10–17 m2) hasta condiciones favorecidas de sobrepresión (< 10–17 m2;56,57,58; Fig. .9). Además, los modelos de permeabilidad a escala de la corteza terrestre muestran que la permeabilidad varía mucho en función de las condiciones locales y regionales específicas del sitio (por ejemplo, estrés, litotipo y daños estructurales;59; Fig. 9). En este contexto, a diferencia de otros métodos de investigación comúnmente adoptados (Fig. 9, Tabla 1), el análisis de permeabilidad de afloramientos in situ a lo largo de zonas de falla continuamente expuestas ofrece la notable ventaja de investigar y reconstruir las propiedades hidráulicas de fallas complejas compuestas de múltiples, elementos estructurales heterogéneos y discontinuos (p. ej., PSS, BSF) posiblemente incluso se formaron en diferentes momentos durante la falla. Por lo tanto, enfatizamos que las mediciones de permeabilidad de afloramientos in situ de fallas fósiles exhumadas y zonas de fallas solo representan un primer paso hacia (i) cerrar la brecha entre diferentes métodos de investigación, (ii) fortalecer el conocimiento sobre las relaciones entre estructuras complejas relacionadas con fallas. y permeabilidad, y (iii) investigar la estructura de permeabilidad 3D de zonas de fallas lateralmente discontinuas y sus BSF asociadas.

La permeabilidad de la compleja arquitectura de las fallas estudiadas oscila entre ~ 10–17 y 10–11 m2 (Fig. 8), documentando así variaciones notables de sus propiedades hidráulicas. Las BSF identificadas dentro de las fallas estudiadas se caracterizan por (i) continuidad lateral limitada debido a su forma de cuña/lensoidal, (ii) diferente mineralogía y/o grado de cementación, y (iii) diferente espaciamiento e intensidad de la estructura interna, todo lo cual controlar y compartimentar el volumen de roca deformada6,34,35,37,38,60. De hecho, nuestras observaciones documentan que:

los valores más altos de permeabilidad provienen de cataclasitas pobremente/moderadamente induradas y brechas de falla (BSF1 y flysch cretácico de ZF y BSF2 de BF; Figs. 4c, d, 6c y 8), donde la poca cementación de la roca de falla explica la alta porosidad y permeabilidad. ;

El BSF3 lensoidal a lo largo de la ZF se caracteriza por una permeabilidad interna que, en función de la mineralogía, varía desde ~ 4 × 10–12 m2 de las capas ricas en talco-esmectita-tremolita (BSF3a) hasta ~ 3 × 10–13 m2 para las capas ricas en filosilicato (BSF3c), y ~ 7 × 10–13 m2 para las capas ricas en calcita (BSF3b; Figs. 5a y 8);

cuanto menor es el espaciamiento de la foliación, menor es la permeabilidad, como lo muestran las cuarcitas de Verrucano Fm. a lo largo de la ZF (Figs. 5b y 8).

Las barreras hidráulicas más eficientes para el flujo de fluidos subverticales son:

Planos de anisotropía primaria (S0, cuando se conserva) como se muestra en Argille a Palombini Fm. en la pared colgante del BF (valores medios de permeabilidad del orden de 10 a 15 m2; Figs. 7a y 8);

el PSS que tiene valores mínimos y medios de ~ 10–17 y ~ 10–15 m2, respectivamente (Fig. 8), como se documenta a lo largo de la ZF (Fig. 4a, b);

planos de foliación secundarios (tectónicos) que se caracterizan sistemáticamente por valores de permeabilidad medidos ortogonalmente a la foliación de tres a cinco órdenes de magnitud más bajos que los medidos paralelos a la foliación (Fig. 8), como se documenta dentro de (1) el flysch (donde es ortogonal y los valores paralelos varían de 10–15 a 10–11 m2, respectivamente) y mármol milonítico (con valores ortogonales y paralelos que varían de 10–16 a 10–11 m2, respectivamente) a lo largo de la ZF (Figs. 4c-e y 5b) y (2) el basamento Paleozoico (con valores ortogonales y paralelos que varían de 10 a 17 a 10 a 13 m2, respectivamente) en la pared inferior de BF (Fig. 7d).

La permeabilidad muy baja (hasta 10–17 m2) ortogonal al PSS y la foliación primaria y secundaria (Fig. 8) muestra que estos elementos estructurales forman barreras hidráulicas efectivas para un flujo de fluido significativo. Por lo tanto, dependiendo del ángulo de buzamiento de las zonas de falla y la foliación, estos elementos estructurales pueden representar barreras hidráulicas en la dimensión subvertical o subhorizontal, provocando una compartimentación efectiva de los volúmenes de roca. Los resultados del flysch del Cretácico a lo largo de la ZF también resaltan que la permeabilidad paralela a la foliación es mayor que la medida dentro de los litones sigmoideos centimétricos alargados incrustados dentro de la foliación (Figs. 4d y 8). Por lo tanto, los volúmenes de roca caracterizados por litones incrustados dentro de planos de foliación pueden generar propiedades hidráulicas discontinuas a lo largo de la dimensión lateral, promoviendo así el flujo de fluido paralelo a la foliación, que en cambio se ve obstaculizado localmente por litones pobremente (o nulos) deformados.

Como se documentó recientemente, las BSF pueden diferir en términos de su edad absoluta de formación a medida que se desarrollan progresivamente durante fallas potencialmente de larga duración25,35. Por lo tanto, las propiedades hidráulicas de cualquier zona de falla pueden variar tanto en el espacio (por ejemplo, dependiendo de la continuidad lateral de las BSF y sus heterogeneidades mineralógicas/estructurales internas) como en el tiempo (por ejemplo, dependiendo del rejuvenecimiento de la falla debido al desarrollo de nuevas BSF). Como se observa a lo largo del BF, su BSF3 se caracteriza por una disminución de la permeabilidad hacia la superficie de deslizamiento secundaria bien desarrollada (es decir, de abajo hacia arriba; Fig. 8), que corta el límite BSF2-3 (Figs. 6c y 7c). . Por lo tanto, proponemos que el deslizamiento repetido a lo largo de las superficies de deslizamiento secundarias indujo la compactación de los poros y posiblemente el sellado, lo que provocó una disminución de la permeabilidad aparente dentro de las porciones adyacentes del BSF. Esto sugiere que la evolución de la permeabilidad a través del tiempo puede verse fuertemente afectada por el desarrollo de BSF más jóvenes e interdigitadas (con formas irregulares, diferentes características estructurales y mineralogía variable) y por la localización de deformaciones posteriores. En otras palabras, nuestros datos sugieren que las fallas duraderas modifican y compartimentan continua y repetidamente las propiedades hidráulicas de las fallas, lo que por lo tanto dirige transitoriamente el desarrollo de volúmenes propensos a actuar como conductos hidráulicos y/o barreras en la frágil corteza superior.

La sismicidad natural e inducida a menudo están relacionadas con la sobrepresión del fluido, que de hecho se considera uno de los principales mecanismos que facilitan el deslizamiento sísmico (p. ej., 4,7,8,11). De acuerdo con el comportamiento bien establecido de las válvulas de falla y con las restricciones geoquímicas, hidrogeoquímicas y sismológicas recientes4,6,9,12,31,61, la presión del fluido en las zonas de falla comúnmente aumenta durante las fases inter y presísmicas, causando inestabilidad y rompiendo. Durante ciclos sísmicos repetidos, la localización de las rupturas sísmicas también está controlada por perturbaciones locales del campo de tensiones y la tasa de deformación, la resistencia a la fricción y la cantidad y distribución de las fases débiles (p. ej., 60, 62, 63).

Proponemos un modelo en el que las variaciones espaciales y temporales de las propiedades hidráulicas asociadas con la evolución de arquitecturas de fallas complejas también desempeñan un papel en la localización de la ruptura sísmica (Fig. 10). En detalle, la baja permeabilidad transitoria de BSF específicas puede promover la acumulación transitoria de fluido, el estancamiento y la sobrepresión en diferentes volúmenes de la arquitectura de la falla, lo que eventualmente causa hidrofracturación, inestabilidad mecánica y nucleación sísmica (Fig. 10). Como se documenta en los Apeninos y otros lugares (por ejemplo, California, Taiwán y Japón; por ejemplo, 9,30,64,65,66), los procesos dilatantes tienen lugar durante la ruptura co-sísmica y la presión del fluido cae rápidamente. Al mismo tiempo, sin embargo, las fallas progresivas pueden promover una estructura de permeabilidad en continua evolución caracterizada por volúmenes de permeabilidad bajos (Fig. 10;67,68). Por lo tanto, nuevas (i) vías para el ingreso y flujo de fluidos y (ii) volúmenes de baja permeabilidad pueden favorecer la acumulación y sobrepresión de fluidos (fase inter y presísmica), promoviendo así rupturas sísmicas (fase co-sísmica) en diferentes volúmenes de la mismo fallo (Fig. 10). Al ampliar el modelo propuesto a la frágil corteza superior e integrarlo a través del tiempo (considerando ciclos sísmicos repetidos), prevemos una estructura de permeabilidad dinámica, transitoria y oscilante, caracterizada por cambios cíclicos y de corta duración de las propiedades hidráulicas en respuesta a la deformación. -desarrollo relacionado de BSF (Fig. 10).

Durante la deformación progresiva, las BSF (y posiblemente las superficies de deslizamiento secundarias) pueden desarrollarse gradualmente, lo que lleva a una arquitectura de permeabilidad en continua evolución en una zona de falla con contrastes de permeabilidad localizados que mejoran la entrada y el flujo de fluidos. En el caso de desarrollo de volúmenes sobrepresionados se puede favorecer el deslizamiento sísmico. Este proceso puede repetirse durante toda la vida de las fallas. También se muestra el rango de la permeabilidad global y la variación transitoria de la permeabilidad impulsada por BSF durante los ciclos sísmicos (es decir, a través del tiempo). Esta figura ha sido creada con Adobe Illustrator 2022 (https://www.adobe.com/products/illustrator.html).

Muchos estudios han proporcionado estimaciones de la permeabilidad del subsuelo a través de análisis directos y (en particular) indirectos, que incluyen (i) mediciones de fondo de pozo, (ii) patrones migratorios de sismicidad inducida y/o natural, (iii) mediciones de temperatura del agua subterránea de áreas tectónicamente activas, y (iv) Fuga de CO2 a lo largo de las fallas9,13,24,51,69,70 (Fig. 9). Entre ellos, algunos también han demostrado que la permeabilidad a lo largo de zonas de fallas enterradas es transitoria y cambia a través del espacio en respuesta al desarrollo de corredores de fractura dentro de las zonas dañadas, probablemente asociados con rupturas cosísmicas23,70,71,72. En detalle, se ha propuesto que el carácter transitorio de la permeabilidad de la falla está estrictamente controlado por el ciclo sísmico, con una disminución de hasta 14 veces la permeabilidad total (hasta valores altos de permeabilidad de la corteza terrestre de > 10–10 m2;9,54 ) durante la dilatación pre y co-sísmica y los corredores de fractura, y la recuperación post-intersísmica de la permeabilidad de la falla debido al sellado de la fractura y el desarrollo de hendiduras ricas en arcilla13,67,73. Sobre esta base, los datos presentados en este trabajo (i) ayudan a proporcionar restricciones directas de permeabilidad de afloramientos in situ en arquitecturas de fallas complejas y (ii) resaltan que la recuperación de la permeabilidad relacionada con fallas y la variación en el espacio y el tiempo están genéticamente asociadas con las BSF de fallas y PSS. En este contexto, nuestros datos ofrecen un paso hacia modelos 4D de zonas de la corteza deformada, que comúnmente (i) proporcionan la estructura estática de permeabilidad masiva de las zonas deformadas y (ii) resaltan la variación espacial de la permeabilidad dentro de los volúmenes de roca deformada exhumados (por ejemplo,74 ,75,76). De hecho, a pesar de la alta precisión de tales modelos, a menudo se descuida una conceptualización dinámica de la estructura de permeabilidad asociada con deformaciones relacionadas con fallas a largo plazo (es decir, variación transitoria de la permeabilidad a través del espacio y en el tiempo). En otras palabras, nuestro enfoque puede adoptarse para (i) proporcionar restricciones adicionales a los modelos dinámicos de permeabilidad de la corteza terrestre destacando la naturaleza transitoria de la permeabilidad relacionada con fallas, (ii) mejorar el conocimiento de la permeabilidad de la corteza terrestre relacionada con fallas y, por lo tanto, (iii) permitir una reconstrucción aún más detallada de las vías de los fluidos y la sobrepresión a lo largo de zonas de la corteza deformadas (posiblemente tectónicamente activas). En este contexto, el monitoreo sísmico a través de datos de alta resolución como anomalías Vp/Vs, conductividad eléctrica y presión hidráulica en profundidad (como en los Apeninos; por ejemplo, 9,30,31,77), puede conducir a una comprensión avanzada de fallas complejas. históricas, con importantes repercusiones en la mitigación del riesgo sísmico.

Las zonas de falla se caracterizan comúnmente por arquitecturas complejas que pueden describirse mediante la yuxtaposición de distintas BSF. Aquí mostramos que los BSF pueden caracterizarse por propiedades hidráulicas muy diferentes que (i) cambian a través del espacio y en el tiempo y (ii) definen volúmenes de roca que son más propensos al deslizamiento sísmico y/o al flujo de fluidos. Nuestros resultados arrojan más luz sobre el comportamiento complejo, transitorio y dinámico de las fallas en la frágil corteza superior. Creemos que una caracterización aún más detallada de las propiedades mecánicas, petrofísicas y geoquímicas de los BSF puede ofrecer información clave para la mitigación del riesgo geológico asociado con los terremotos naturales e inducidos.

Los datos analíticos están disponibles en la Información de respaldo S1.

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Esta investigación surge del proyecto FAST (Fault Architecture in Space and Time; PI: Giulio Viola), un proyecto de investigación financiado por el Ministerio italiano de Universidad e Investigación (MUR) con la acción de financiación PRIN 2020 (CUP J33C22000170001). Se agradece calurosamente a F. Stendardi y C. Zuccari por su amable ayuda durante las mediciones de permeabilidad del afloramiento in situ a lo largo de la falla Zuccale. Se agradece al editor, a un revisor anónimo y a B. Brixel sus comentarios y aportes constructivos. Cada figura ha sido creada y/o editada con Adobe Illustrator 2022 (https://www.adobe.com/products/illustrator.html).

Departamento de Ciencias Biológicas, Geológicas y Ambientales-BiGeA, Universidad de Bolonia, Via Zamboni 67, 40126, Bolonia, Italia

M. Curzi, F. Giuntoli, G. Vignaroli y G. Viola

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GV conceptualizó el estudio y obtuvo financiación para ello. MC, FG, GV y GV implementaron la idea contribuyendo igualmente al trabajo de campo, la adquisición de datos, la elaboración, la discusión de resultados y la interpretación final. Todos los autores escribieron el manuscrito.

Correspondencia al señor Curzi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Curzi, M., Giuntoli, F., Vignaroli, G. et al. Restricciones en la circulación del fluido de la corteza superior y la sismogénesis a partir de la cuantificación in situ de afloramientos de la permeabilidad de la zona de falla compleja. Representante científico 13, 5548 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32749-4

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Recibido: 08 de noviembre de 2022

Aceptado: 31 de marzo de 2023

Publicado: 05 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32749-4

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