. : ExploraTetide : . Dott. Geologo Gabriele Ponzoni

La Tesi, dal titolo "La Geologia della Dorsale Apula e del Golfo di Taranto, Mar Ionio Settentrionale", è stata svolta nel triennio 1991-1993 presso la sede del C.N.R. di Bologna, sezione di Geologia Marina.

Si trattava di uno studio Tettonico e Geologico svolto mediante l'interpretazione di profili sismici acquisiti negli anni precedenti con campagne marine mirate, (condotte da vari Enti ed Aziende), e svolte nel Mar Adriatico meridionale, nel Mar Ionio centro-settentrionale e nel Golfo di Taranto.

A tal fine, pertanto, si è cercato di dare prima un'idea dell'evoluzione dell'area del Mediterraneo, a livello generale, e poi una più particolareggiata a livello locale per quanto concerne l'Italia Meridionale, il Tirreno e l'area Egea: questo approccio è stato motivato dalla forte "criticità" della Dorsale Apula che, assieme alla sua parte emersa, (zona Murgiana in Puglia), ha rappresento e, tuttora rappresenta, l'avanpaese per ben due catene montuose, e cioè quella Ellenica e quella Appenninica.

Diviene, quindi, palese come l'interpretazione regionale, da un punto di vista tettonico evolutivo, sia un passaggio cruciale per ricostruire i principali movimenti dell'Italia meridionale e, soprattutto, le potenziali implicazioni evolutive.

Analizziamo che cos'è, dal punto di vista fisico, la frattura. E' una superficie libera all'interno del corpo, è cioè una zona in cui manca il legame chimico intermolecolare.
In base al diagramma dell'energia di legame si capisce chiaramente che affinché tale legame si rompa, bisogna applicare una forza, di origine meccanica o chimica (o combinare le due) che allontani le molecole. Per noi è sufficiente un crack unimolecolare questo inizierà sempre da la rottura di un solo legame fra due molecole, per poi propagarsi allungandosi . L'idea classica di crack improvviso su tutta la lunghezza del la frattura è sbagliata: per questo c'è una velocità di propagazione della frattura. Nel nostro diagramma la curva stress-velocità non ha una origine ben definita Questo perché quando i crack molto piccolo la velocità di propagazione della frattura non è percepibile.
Considerando che i diagrammi sono costruiti sperimentalmente, una velocità molto bassa richiede un'osservazione indefinitamente prolungata per essere percepita. Sotto una una certa velocità di propagazione ( 10-6m/s) possiamo quindi considerare tutto fermo. Ad un certo punto, comunque, la frattura comincia ad allungarsi (questo implica che il materiale abbia già delle discontinuità interne che sono g|i iniziatori della frattura stessa: questo è vero per ogni materiale, anche se esistono materiali più compatti ed altri più discontinui: ciò che si osserva è che la velocità di propagazione non è costante, ma tende ad aumentare. Perché?
Il mio legame che si sta rompendo è un legame disposto su di un unico piano molecolare: se la frattura si allunga si allunga anche il BRACCI0 DI FORZA che agisce alla punta dove il legame si deve ancora rompere più il braccio è lungo più lo sforzo necessario per rompere il successivo legame è piccolo; di conseguenza, a parità di sforzo la frattura si propaga più velocemente. Questo processo ha un EFFETTO VALANGA, ovvero è SELF FEEDING (FEEDING = NUTRIRSI): più la frattura si allunga più lo sforzo applicato alla punta del crack diventa grande, e quindi più la frattura si propaga velocemente. Ecco Quindi spiegato perché si passa da velocità così basse a velocità alte (circa 2 km/s al momento del crack).
Continuiamo nell'analisi del diagramma. Il regime I è quello definito dal lo sforzo meccanico alla punta. Quindi troviamo un plateau che varia a seconda della % di solventi liquidi che abbiamo nell'ambiente. Come già detto, la frattura si propaga grazie ad una combinazione di sforzi chimici e meccanici che rompono il legame. Nella zona II il contributo chimico alla rottura del legame è determinante: siccome però il solvente liquido presente nell'ambiente ha una velocità di propagazione bassa, più bassa di quella a cui si sta propagando la frattura, questa deve "rallentare", deve attendere che il solvente arrivi alla puna del crack. Nella zona 2, governata dalla chimica, la frattura si propaga con la velocità con cui il fluido solvente si propaga entro la frattura stessa. Sicuramente il miglior solvente per la grande maggioranza dei materiali è l'acqua: diagrammi di confronto con altri fluidi, anche più acidi e forti, hanno dimostrato che la maggior pendenza della curva la otteniamo quasi sempre con l'acqua. In particolare con le rocce, ad alta componente silicea, l'acqua è un reagente molto più efficace di ammoniaca, acetone ecc. Questo non toglie comunque che, in ambienti particolari (es. Camini vulcanici) entrino in gioco anche altri reagenti. Il terzo regime della velocità di propagazione della frattura mostra un'impennata della pendenza: siamo giunti in condizioni meccaniche tali per cui è sufficiente un piccolo contributo extra allo sforzo della leva per rompere il legame, e tale contributo è fornito chimicamente dalle molecole del solvente, non più a lo stato liquido ma a quello gassoso: siccome la velocità di propagazione del gas è chiaramente più grande di quella del liquido, la frattura non rallenta, ma anzi raggiunge rapidamente il regime critico, al quale abbiamo la ROTTURA.
Abbiamo quindi definito la velocità con cui si propaga la frattura come dipendente dallo SFORZO APPLICATO ALLA PUNTA: tale sforzo, k è uno STRESS INTESITY FACTOR. questo sforzo sarà chiaramente proporzionale allo sforzo applicato al corpo, ma anche alla forma del crack. Se il crack è unimolecolare tutta l'energia è concentrata per rompere quel singolo legame; viceversa, se è plurimolecolare, per ogni singolo legame si avrà una minore forza di rottura applicata. In questo senso vengono favoriti i CRACKS più stretti , quelli più appuntiti, dove c'è meno spreco di forza. Come già detto, infine, il K dovrà dipendere dalla LUNGHEZZA del crack, dato che il processo è self-feeding. Si giunge quindi a definire lo STRESS INTENSITY FACTOR come

K = (sigma) (c)-2 (y)

dove C è la lunghezza del crack e Y è un parametro di forma, che mi dice quanto il crack è appuntito. Ricapitolando: se la frattura avviene ad un K critico, il primo movimento percepibile di propagazione avviene circa a k/3. Da k/3 a k siamo in regime subcritico, diviso in tre zone, di cui le ultime due in particolare sono governate dalla chimica. La frattura si propaga partendo da discontinuità già presenti nel corpo (microfratture e joints), e si propaga privilegiando i crack più lunghi e quelli disposti nel verso giusto. In questo senso la frattura è un processo ANTIENTROPICO.
Come testare le strutture? si possono fare ricerche non distruttive sui materiali, come analisi ai raggi x, che sono comunque molto costose: vengono fatte solo per pezzi piccoli e molto importanti. Oppure si possono utilizzare dei microfoni che colgano le vibrazioni delle microfratture altro non sono che micro terremoti, come i precursori per i terremoti, e da queste risalire agli "epicentri", ovvero ai punti di frattura. Il MONITORING può essere fatto su strutture importanti in cui lo sforzo sia ben localizzato (dighe, zone a rischio di frana).
si può anche costruire la struttura in modo tale che lo sforzo applicato non superi mai k/3: questo comporta però una spesa economica tale che in genere non si fa mai . Infine si possono usare tecniche PARZIALMENTE NON DISTRUTTIVE: si applica cioè uno sforzo pari a quello critico. Se non c'è una frattura sufficientemente lunga, il materiale non viene danneggiato e si sa che siamo in condizioni inferiori al k/3. in caso contrario il pezzo si rompe, ma solo perché era già in regime subcritico e si sarebbe in ogni caso danneggiato presto. Questo tipo di prova si fa in genere con i pezzi dei motori, le turbine, o gli stessi ponti, su cui si fanno passare automezzi pesanti.
In laboratorio si usa il THREE POINTS BENDING (1) o il FOUR POINTS BENDING (2).
L'esperimento di K. MOGI (Jap. ) è appunto un points bending con 5 sensori sismici che evidenziano gli epicentri delle microfratture non sono stati utilizzati i raggi perché per le rocce non servono avendo questa struttura granulare e poco chiara. Il diagramma ottenuto, per vari livelli di stress applicato, mostrano l'antientropicità del processo, con uno scatter iniziale dal quale si passa poi al privilegio di una singola frattura che si allunga via via. Le altre fratture? troppo larghe o in posizione non favorevole, vengono abbandonate, probabilmente perché giungono in inclusioni subsferiche per le quali il coefficiente di forma è piuttosto basso. Su questa idea si basa il DROGAGGIO dei materiali ceramici, nei quali l'aggiunta di particolari sostanze che creino delle inclusioni di forma simmetrica permette a tali materiali di essere più resistenti alla microfratturazione. Per quanto riguarda i richiudersi delle fratture, ricordiamo che un legame, una volta apertosi può anche richiudersi, dato che le molecole sono in oscillazione. Le probabilità di richiusura è inferiore a quella di apertura: in ogni caso l'effetto di KINK è presente, e va studiato dal punto di vista statistico. Le probabilità di richiusura è minore rispetto a quella di apertura perché sulla superficie si sono sviluppati dei processi irreversibili, come la formazione di un GOUGE (superficie corrugata data da un processo meccanico) o di una patina ossidata (processo chimico).
In dettaglio: lo studio della propagazione di una frattura è stato fatto proprio sfruttando un four points bending applicato su una barra di granito. Le microfratture che si producevano nelle barre venivano registrate come epicentri di microterremoti. In questo caso l'analisi con i raggi x non è possibile per via della struttura granulare del granito. le posizioni dei microterremoti venivano registrate come puntini e posizionate nella loro esatta ubicazione. In sintesi nell'esperimento succede che in un primo momento le microfratture sono posizionate in tutta la parte centrale della barra, poi però molte microfratture anche se più grandi di altre si arrestano per favorire quelle posizionate nella parte centrale del materiale esaminato. Una frattura si può formare quando, per esempio, arriva ad un inclusione tonda che proprio a causa della sua forma tende ad arrestare la frattura. L'addensamento di microfratture al centro avviene quando si aumenta il carico e le microfratture cominciano ad unirsi tra loro. se si analizza la barra dall'alto verso il basso si ha una situazione paragonabile a quella precedente: infatti in alto si hanno microfratture distribuite in tutto il materiale ed in basso un addensamento sulla linea di frattura. Si possono notare anche fratture secondarie che poi vengono arrestate dal processo antientropico. questa modalità di frattura sembrava poter essere implicata anche ai terremoti (circa 20 anni fa). cambiando però l'applicazione dello sforzo cioè caricando prima il materiale e poi scaricandolo leggermente si ha che la frattura avviene in modo del tutto imprevisto durante la fase di scaricamento. quindi le modalità di apertura della frattura deve dipendere anche dal modo in cui si applica il carico. Bisogna quindi andare in dettaglio di come avviene la rottura del legame fra molecole. Finora si sono considerati i legami come delle molle ferrose, mentre in realtà i legami presentano delle oscillazioni intramolecolari e quindi durante la propagazione della frattura si ha sia la possibilità che il legame si rompa che quella che si ricrei (per quanto inferiore), quindi la frattura verrà ricondotta ad un processo probabilistico. Le modalità con cui avviene la frattura è dunque in realtà un processo dinamico detto KINK. ragionando secondo il processo di Kink dunque, se i bordi delle fratture rimangono a contatto il legame si può ricreare solo però se sulle superfici non si depositano delle impurità che impedirebbero la riformazione del legame.
FATTORI CHE FAVORISCONO LA PROPAGAZIONE DELLE FRATTURE
In natura tutti i processi a livello litosferico implicano dei processi di fratturazione e si hanno fratture più grandi che portano alla fagliazione ed altre più piccole che invece interessano processi come il creeping. Quando si hanno due parti in scorrimento a contatto, esse non si presentano mai perfettamente lisce (a livello miscroscopico) ma si hanno delle asperità che tendono a rompersi durante lo scorrimento dando così delle microparticelle che facilitano lo scorrimento delle 2 parti: tali particelle vengono dette gouge di faglia. Per le prove di laboratorio le fratture vengono considerate con geometrie semplici. Se ad esempio si usa solo (ω) che basta a caratterizzare un terremoto, più la frequenza è bassa più il terremoto è grande: in particolare esiste una formula che lega il periodo T ad (ω) T=1/(ω) alla magnitudine del terremoto:

Log T = 0,51 M – 2,59

da questa formula emerge che con l'aumento della frequenza cala la magnitudine e si passa quindi dai terremoti alle microfratture. Ovviamente più è alta la frequenza e più è piccolo il fenomeno e più vicini bisogna essere al fenomeno per poterlo misurare: perché se un terremoto con frequenza attorno ad 1 Hz può essere avvertito a chilometri di distanza, per una microfratturazione bisogna necessariamente trovarsi a pochi metri di distanza. Potendo percepire le onde emesse dalle microfratture si potrebbero prevedere ad esempio le frane però per poter avvertire queste onde ad alta frequenza bisognerebbe essere molto vicini.
Esiste una tabella che lega le frequenze alla distanza a cui possono essere avvertite nei vari mezzi, ad esempio nell'acqua si avvertono meglio le frequenze alte rispetto all'aria. Per quel che riguarda le rocce che ovviamente è il campo che ci interessa maggiormente, bisogna tener conto del fattore di MERITO che è simile all'impedenza acustica: rocce con fattore intorno a 1000 (cioè rocce cristalline o molto compatte) trasmettono le alte frequenze meglio nell'aria fino a distanza di svariati km, (trasmettono peggio le basse frequenze) invece rocce sedimentarie con fattore 100 hanno una trasmissione pessima delle alte frequenze che risulta non più misurabile a qualche centinaio di metri di distanza. Quindi, per poter avvertire le emissioni acustiche di questo tipo bisognerebbe avere registratori ovunque a meno che non si sappia a che punto ed in che punto si propagherà la frattura. Attualmente questo metodo di monitoraggio funziona per sorvegliare il movimento di frane mentre per i terremoti, poiché solitamente non si conosce il punto di rottura non si riesce ancora ad applicare. Le fratture a qualunque scala sono si riproducono sempre uguali a se stesse per un processo detto di autosomiglianza.

Considerazioni conclusive

In natura le fratture si sviluppano secondo modelli molto più complessi di quelli esemplificati. Intanto, come già detto, è molto più conveniente, piuttosto che tirare, fare uno sforzo di taglio, o shear. Poi , quando facciamo un modello, non consideriamo l'attrito che cerca di riattaccare le facce: in natura invece questo c'è, come pure c'è l'effetto del gouge che rende l'attrito minore. Inoltre si fa una grossa approssimazione quando si assume che la nostra frattura abbia una forma semplice in natura le forme semplici non esistono, essa ha invece l'autosomiglianza (che sarebbe una poligonale), che a tipica delle forme frattali . Nel la rottura dei legami, posso usare sforzi chimici e meccanici . Esiste una energia superficiale che è grossomodo pari all'energia di evaporazione: potrei usare questa energia per impostare degli integrali primi e studiare l'apertura di una superficie libera all'interno del nostro materiale, tenendo conto di parametri termodinamici come P e T; il loro effetto è però molto complesso quindi non si studia. Ci si accontenta di definire 3 regimi subcitici e uno critico per lo STRESS INTENSITY FACTOR, correlato al log della velocità di propagazione della frattura alla punta. Il primo regime ha una elevata pendenza che fa si che, giunti ad un certo livello di sforzo, la velocità scenda sotto il livello di percettibilità. Per questo, sotto k/4, non si muove nulla Il minimo valore di STRESS INTENSITY FACTOR è K/3.
La proporzionalità diretta fra stress e stress di punta nel modo I come nel II e nel III per questo i nostri modelli sono validi anche per le condizioni naturali; il fatto che la linearità sia alla prima potenza è un grosso vantaggio: in caso contrario non potremmo fare previsioni.
Il fattore Y è un fattore di forma, che può essere espresso dal RAGGIO DI CURVATURA ALLA PUNTA. Potremo tener conto insieme della lunghezza e dell'apertura della frattura tramite un COEFFICIENTE DI FORMA (ASPECT RATIO). I cracks possono essere:
1- Penny shape cracks tondi a moneta; sono quelli che meno vengono privilegiati
2- Cracks ellissoidali i più semplici , quelli che abbiamo considerato anche noi:

3- Crack piano: è una semplice discontinuità negli spostamenti;

La formula dei k diventa allora

k ~ (σ) (ω) (α)

A 10^-15 m/s il crack parte; c e alfa aumentano, il processo si autoalimenta e "sceglie'' le discontinuità più efficaci del materiale (anche il più isotropo ne ha), quelle disposte parallelamente alla massima concentrazione di sforzo.

La frattura (appunti tecnici vari)