ETD

• Appennino Settentrionale interno
• architettura di faglie
• carbonate brittle deformation
• deformazione fragile in carbonati
• fault architecture
• frictional properties
• inner Northern Appennines
• proprietà frizionali

La tesi indaga l’architettura, le microstrutture e i processi deformativi di zone di faglia ospitate in unità carbonatiche nell’Appennino Settentrionale interno. Lo studio ha riguardato la Faglia di Pietrasanta, sviluppata a spese di calcari della Falda Toscana e la Faglia di Fantiscritti (Carrara) sviluppata a spese di marmi del nucleo metamorfico apuano. Queste due strutture, con cinematica normale, hanno accumulato un rigetto di un ordine di grandezza differente (pluri-ettometrico e decametrico rispettivamente) a differenti livelli alto crostali, più superficiali la Faglia di Pietrasanta, più profondi quella di Fantiscritti. Il rilevamento geologico-strutturale e la realizzazione di modelli digitali dell’affioramento sono stati integrati con analisi di laboratorio ed esperimenti di frizione per caratterizzare architettura generale delle due faglie, le zone di danneggiamento, i loro nuclei, e le caratteristiche delle superfici di scivolamento principali alle diverse scale.
La Faglia di Pietrasanta mostra un’architettura complessa ed eterogenea, con molteplici domini strutturali e una superficie di scivolamento principale corrugata. La Faglia di Fantiscritti presenta una struttura più semplice con deformazione localizzata in un nucleo di faglia che interessa componenti di host rock (marmi) e vene a calcite e quarzo sviluppate negli stadi iniziali della deformazione.
L’analisi della rugosità della superficie di scivolamento principale nella Faglia di Pietrasanta evidenzia proprietà differenti tra la scala decametrica e quella metrica/centimetrica, probabilmente a causa di differenti processi attivi alle diverse scale (crescita della superficie di slip vs adesione e abrasione). Le osservazioni microstrutturali mostrano che le rocce del nucleo nella struttura di Pietrasanta si sono sviluppate attraverso meccanismi essenzialmente fragili, mentre la Faglia di Fantiscritti mostra la coesistenza di processi fragili, di dissoluzione per pressione (DMT) e cristallo-plastici.
Esperimenti condotti presso il Laboratorio di Meccanica delle Rocce del Dipartimento di Geoscienze dell'Università di Padova sulle rocce di Faglia di Pietrasanta mettono in evidenza un comportamento frizionale dipendente dalla temperatura e fenomeni di healing delle rocce di faglia durante più “cicli sismici”.
Un tentativo preliminare di geocronologia U–Pb della calcite condotto presso il Laboratorio del DST Università di Pisa ha evidenziato potenzialità e limiti della datazione delle rocce di faglia analizzate.
Nel complesso, i risultati dello studio offrono nuove prospettive sulla comprensione delle caratteristiche architetturali delle strutture analizzate, della loro eterogeneità e struttura di permeabilità e sui meccanismi deformativi attivi alle diverse scale, con implicazioni sulla comprensione delle modalità di trasferimento di massa (hanging wall-footwall) attraverso le superfici di scivolamento principale, sui processi sismogenetici e la circolazione dei fluidi in zone di faglia in unità carbonatiche.

This thesis investigates the architecture, microstructures, and deformation processes of fault zones hosted in carbonate units of the Inner Northern Apennines. The study focuses on two case studies: the Pietrasanta Fault, which developed at the expense of limestones from the Tuscan Nappe, and the Fantiscritti Fault (Carrara), which formed within marbles of the Alpi Apuane metamorphic core. These two normal faults record displacements of different orders of magnitude (multi-hectometric and decametric, respectively) and developed at different upper-crustal levels (shallower for the Pietrasanta Fault, deeper for the Fantiscritti Fault).
Fieldwork and the construction of digital outcrop models were integrated with laboratory analyses and friction experiments to characterize the overall architecture of the two faults, their damage zones, fault cores, and slip surface features at different scales.
The Pietrasanta Fault displays a complex and heterogeneous structure, characterized by multiple structural domains and a well-exposed, corrugated principal slip surface. The Fantiscritti Fault shows a simpler architecture, with deformation localized in a fault core composed of host-rock marble, together with calcite and quartz veins that developed during the early stages of deformation.
Roughness analysis of the Pietrasanta Principal Slip Surface reveals contrasting properties at the decametric versus metric–centimetric scales, likely reflecting different deformation mechanisms (slip surface growth by surface interaction versus adhesion and abrasion). Microstructural observations further indicate that fault rocks in the Pietrasanta structure formed predominantly through brittle processes, whereas those in the Fantiscritti Fault record the coexistence of brittle, dissolution mass transfer (DMT), and crystal-plastic mechanisms.
Friction experiments performed at the Rock Mechanics Laboratory, Department of Geosciences, Università di Padova, highlight a temperature-dependent frictional behaviour and healing phenomena of fault rocks during multiple “seismic cycles.”
A preliminary attempt at U–Pb geochronology on calcite using LA-ICP-MS, carried out at the Department of Earth Sciences, Università di Pisa, revealed both the potential and the current limitations of dating these fault rocks.
Overall, the results provide new insights into the architecture of the analyzed structures, their heterogeneous permeability structure, the mass transfer processes across principal slip surfaces, and the deformation mechanisms active at different scales. These findings have direct implications for seismogenic processes and fluid flow in carbonate-hosted fault zones.