The tectonically-confined Firenzuola turbidite system (Miocene, Marnoso-arenacea Formation, northern Apennines, Italy): an example of facies variations related to the basin morphology

Abstract

The Firenzuola turbidite system formed during a paroxysmal phase of thrust propagation, involving the upper Serravallian deposits of the Marnoso-arenacea Formation (MAF). During this phase the coeval growth of two major tectonic structures, the M. Castellaccio thrust and the Verghereto high, played a key role, causing a closure of the inner basin and a coeval shift of the depocentre to the outer basin. This work focuses on this phase of fragmentation of the MAF basin; it is based on a new detailed high-resolution stratigraphic framework, which was used to determine the timing of growth of the involved structures and their direct influence on sediment dispersal and on the lateral and vertical turbidite facies distribution. The Firenzuola turbidite system stratigraphy is characterized by the occurrence of mass-transport complexes (MTCs) and thick sandstone accumulation in the depocentral area, which passes to finer drape over the structural highs; the differentiation between these two zones increases over time and ends with the deposition of marly units over the structural highs and the emplacement of the Visignano MTC. According to the stratigraphic pattern and turbidite facies characteristics, the Firenzuola System has been split into two phases, namely Firenzuola I and Firenzuola II: the former is quite similar to the underlying deposits, while the latter shows the main fragmentation phase, testifying the progressive isolation of the inner basin and a coeval shift of the depocentre to the outer basin. The final stratigraphic and sedimentological dataset has been used to create a quantitative high-resolution 3D facies distribution using the Petrel software platform. This model allows a detailed analysis of lateral and vertical facies variations that can be exported to several reservoirs settings in hydrocarbon exploration and exploitation areas, since facies distributions and geometries of the reservoir bodies of many sub-surface turbidite basins show a significant relationship to the syndepositional structural activity, but are beyond seismic resolution.

Il sistema torbiditico di Firenzuola si è depositato durante un’importante fase di crescita sin sedimentaria delle strutture tettoniche che ha coinvolto il bacino della Formazione Marnoso-arenacea nel Serravalliano Superiore. Questa fase tettonica è stata indotta dalla crescita coeva delle strutture del thrust del Monte Castellaccio e dell’Alto di Verghereto, il cui avanzamento e sollevamento hanno causato la chiusura del bacino interno e il concomitante spostamento del depocentro principale nel bacino esterno. Questo studio è focalizzato su questa fase cruciale di compartimentazione del bacino di avanfossa della Formazione Marnoso-arenacea, sulla base di una stratigrafia fisica ad alta risoluzione ed una dettagliata analisi di facies, grazie alle quali si sono potute ricostruire le fasi evolutive delle principali strutture tettoniche e la loro influenza sulla distribuzione latero-verticale delle facies torbiditiche. Il sistema torbiditico di Firenzuola è caratterizzato dalla messa in posto di complessi caotici (mass-transport complexes o MTCs) e da potenti accumuli di lobi arenacei nelle areee depocentrali che passano, sia lateralmente che sottocorrente, a successioni condensate di depositi fini nelle aree di alto strutturale. La differenziazione in termini di facies tra queste due zone incrementa nel tempo e termina con la deposizione delle Marne di Calstelvecchio e di Verghereto sugli alti strutturali e con la messa in posto del Complesso caotico di Visignano. Sulla base dell’analisi stratigrafica e della variazione delle facies, il sistema torbiditico di Firenzuola è stato diviso in due fasi, denominate Firenzuola I (o sotto-Unità Va) e Firenzuola II (o sotto-Unità Vb): la prima mostra caratteristiche simili ai depositi sottostanti (Unità IV di Muzzi magalhaes e Tinterri, 2010), la seconda è caratterizzata da una maggiore differenziazione che testimonia il progressivo isolamento del bacino interno e il coevo spostamento del depocentro principale dell’avanfossa nel bacino esterno. L’insieme dei dati rilevati è stato infine elaborato tramite il software Petrel da cui si è estrapolato un modello sperimentale ad alta risoluzione basato sui log stratigrafici rilevati in affioramento. Molti bacini sedimentari sepolti che caratterizzano aree di esplorazione di idrocarburi sono caratterizzati da depositi fortemente influenzati dalla tettonica sinsedimentaria, nei quali la conoscenza della distribuzione delle proprietà è spesso limitata alla risoluzione ottenibile dalla stratigrafia sismica; la modellizzazione ottenuta in questo studio può pertanto essere utilizzata per il miglioramento della predizione della distribuzione tridimensionale delle facies torbiditiche e relative proprietà petrofisiche ad alta risoluzione.