Ruolo della stratigrafia meccanica e dei processi di superficie nell’evoluzione dei prismi di accrezione: risultati da modelli analogici e implicazioni per l’Appennino settentrionale

Abstract

Questo lavoro di dottorato ha avuto come oggetto di studio il ruolo della stratigrafia meccanica e dei processi di superficie nell’evoluzione spazio-temporale dei prismi di accrezione mediante l’utilizzo della modellizzazione analogica. La distribuzione tridimensionale di livelli di scollamento frizionali e viscosi all'interno della successione coinvolta nel raccorciamento è in grado di condizionarne significativamente l’evoluzione, le geometrie e le sequenze cronologiche di sviluppo dei sovrascorrimenti. La presenza di più di un livello di scollamento è infatti un fattore comune a molte catene, quali i Pirenei, l'Appennino, le Alpi, gli Zagros ecc. L’erosione e/o la sedimentazione sintettonica contribuiscono fortemente a determinare le tempistiche e localizzazione dell’esumazione di unità profonde, la riattivazione fuori sequenza dei sovrascorrimenti e la migrazione verso l’avampaese dei fronti deformativi, come documentato in molte catene montuose tra cui l’Himalaya, le Alpi Neozelandesi, il settore Adriatico dell’Appennino, ecc. In letteratura, i programmi sperimentali finora realizzati si limitano nella quasi totalità ad analizzare l’influenza di uno solo dei parametri che maggiormente influenzano la crescita dei cunei tettonici per convergenza ortogonale, ovvero la reologia della successione deformata, la sedimentazione e/o l’erosione sintettonica. In Natura invece, tali fattori agiscono simultaneamente in un sistema orogenico in evoluzione e per questo la ricerca realizzata nel dottorato ha affrontato in maniera sistematica tramite la modellizzazione analogica lo studio dell’interazione tra i tre parametri suddetti su prismi di accrezione sperimentali. In particolare, la maggior parte dei programmi sperimentali realizzati durante il Dottorato di Ricerca sono stati pianificati ispirandosi a problematiche ancora aperte nell’ambito della storia geologica dell’Appennino Settentrionale. La ricerca si è articolata in tre cicli sperimentali volti ad indagare in misura completa l’influenza dei parametri in questione. Il primo ciclo ha previsto una serie di esperimenti volti allo studio sistematico del ruolo della stratigrafia meccanica verticale nell’evoluzione di cunei di accrezione crostali. In seguito è stata implementata una serie di esperimenti (Ciclo 2) dedicati allo studio dell’influenza della variabilità planimetrica della stratigrafia meccanica. Il terzo ed ultimo ciclo si è esplicato in una serie di modelli dedicati allo studio dell’influenza dei processi superficiali sulla crescita dei cunei orogenici. Gli esperimenti sono stati eseguiti presso il laboratorio di modellizzazione analogica “Elisabetta Costa” dell’Università di Parma, tramite apparati tipo sandbox e con materiali costituiti da sabbie per simulare rocce a comportamento fragile, microsfere in vetro e grafite per livelli di scollamento deboli e silicone per rocce a comportamento plastico. Il lavoro ha previsto un periodo di ricerca integrativa presso il laboratorio di modellizzazione tettonica dell’università di Firenze, durante il quale è stata realizzata una serie sperimentale in condizioni di gravità aumentata (centrifuga) volta allo studio della distribuzione verticale ed orizzontale di livelli di scollamento frizionali in multistrati sabbiosi. I risultati hanno mostrato che la distribuzione verticale e la reologia dei livelli di scollamento influenzano fortemente l’evoluzione e la struttura dei prismi sperimentali: lo studio sistematico della variazione verticale degli scollamenti ha messo in luce una chiara relazione tra natura e posizione del livello di scollamento nel multistrato sabbioso e stile strutturale del prisma sperimentale. Allo stesso modo, la distribuzione planimetrica 2D e 3D dei livelli di scollamento frizionali ed i processi di superficie influenzano fortemente i processi tettonici che agiscono all’interno del prisma sperimentale stesso (underplating, accrezione frontale) facendone prevalere uno a scapito dell’altro. Questo studio ha fornito inoltre implicazioni per la distribuzione delle evaporiti triassiche nei domini interni dell’Appennino Settentrionale. In particolare, gli esperimenti del ciclo 2 suggeriscono che il dominio Toscano meridionale poteva essere caratterizzato dalla presenza di evaporiti (Calcari Cavernoso), le quali diminuivano di spessore a nord (Lunigiana), mentre alla base della serie bacinale di La Spezia le evaporiti Triassiche potevano avere spessore fortemente ridotto o mancare completamente. Inoltre, il confronto tra i prismi sperimentali prodotti in laboratorio in questo lavoro di dottorato e le sezioni geologiche regionali dell’Appennino Settentrionale ha mostrato una buona corrispondenza dei rapporti geometrici tra le unità tettoniche costituenti l’edificio strutturale nord-Appenninico.

The aim of this work was to study the role of mechanical stratigraphy and surface processes on the evolution of tectonic wedges by analogue modelling, and to get insights for the geological evolution of the Northern Apennines. Crustal mechanical stratigraphy i.e. alternating mechanically weaker and stronger layers within the crust, plays a key role in determining how contractional deformations are accommodated at convergent plate boundaries. In the upper crust, evaporites typically provide preferential décollement layers for fault localization and foreland ward propagation, thus significantly influencing evolution of thrust-fold belts in terms of mechanical balance, geometries, and chronological sequences of faulting. The presence of one or more dècollement levels is common in many orogenic chain such as Pyrenees, Apennines, Alps, Zagros etc. Synkinematic erosion and sedimentation strongly contribute to determine the timing and localization of exhumation of deep seated rocks, out-of-sequence thrust activity, and the forelandward migration of deformation fronts. Typical examples are the Himalayan orogeny, the Southern Alps, and the Adriatic foredeep of the Apennines and Southern Alps. In nature, mechanical stratigraphy and surface processes simultaneously interact during thrust wedge growth and their interplay is not straightforward to disentangle. Despite this subject has been investigated in many experimental works, a systematic experimental study of the deformation modes of upper crustal vertical and planimetric variations of the pre-kinematic mechanical stratigraphy and surface processes on thrust wedge evolution, an experimental programme was specifically designed. In particular, three experimental cycles were performed: In the first one, a three-décollement mechanical stratigraphy was deformed in the sandbox at the same boundary conditions. Different rheological properties were assigned to the three décollements in different experiments, up to testing all possible mechanical configurations; the next experimental cycle (Cycle 2) was used to study the influence of lateral variations of the rheology of basal décollement layers on the evolution of thrust wedge,s with implications on Northern Apennines; in the latter experimental cycle (Cycle 3) we focused on the influence of syn-tectonic erosion and sedimentation on orogenic wedge growth. Sandbox experiments were performed at the “Elisabetta Costa” analogue modelling laboratory of the Parma University, using dry quartz sand to simulate frictional upper crustal rocks, glass microbeads and graphite for frictional dècollements, and silicone putty for simulating viscous dècollements such as evaporites. An additional research period was also carried out at the tectonic modeling laboratory of the University of Florence, during which a series of experiment was performed in an artificial high gravity field using a large capacity centrifuge to study vertical and lateral changes in dècollement distributions with granular materials. Our experiments illustrate the significant changes in the geometry and kinematics of thrust wedges that are induced by varying the position and lateral extent of evaporite layers at the base and/or within pre-kinematic multilayers. In the same way, surface processes strongly influenced the tectonic processes inside the experimental wedges (partitioning among underplating, thrusting, frontal accretion). This study also provided insights for the distribution of Triassic evaporites in the pre-orogenic sedimentary architecture of the Adria passive margin that is now deformed in the internal domains of the Northern Apennines. In particular, some experiments of the cycle 2 showed that the southern Tuscan domain could have evaporites at the base of the carbonates, which diminished in thickness towards the north (Lunigiana), while at the base of the La Spezia basinal succession, evaporites could have had a reduced thickness or being completely missing. Finally, the comparison between the experimental wedged performed in this work and regional geological sections of the Northern Appennine, showed a good correspondence.