RICERCA ITALIANA     

Modello crostale sintetico in Sicilia: integrazione geologia e geofisica

Università degli Studi di Palermo

Abstract

Il progetto ha come scopo lo studio delle interazioni tra le strutture superficiali e quelle crostali profonde della Sicilia e mari contermini, al fine di contribuire alla comprensione dei meccanismi che regolano la dinamica dell'area Mediterranea.
Molti sono i problemi ancora non risolti nella consegna del sistema di subduzione (s.l.) siciliano:
- profondità dei piani di scollamento;
- caratteri (spessori, densità, eredità geodinamica) della crosta;
- profondità del basamento (Africano);
- coinvolgimento del basamento nella catena.
Le tre unità coinvolte nella ricerca intendono contribuire al risultato servendosi di un approccio multidisciplinare che integri i dati geologici e geofisici che saranno disponibili o che saranno acquisiti in vari settrori del sistema siciliano con metodologie diversificate quali:
-rilevamenti di terreno;
-analisi stratigrafico strutturale;
-costruzione di profili geologici bilanciati;
-interpretazione di linee sismiche;
-reprocessing di sismica a riflessione NV;
-reinterpretazione di dati magnetometrici, gravimetrici e di sismica a riflessione;
-ricostruzione cinematica quantitativa dei processi tettonici (raccorciamento, estensione) che hanno determinato subsidenza e/o sollevamento.
Modellizzazioni numeriche.
Gli obiettivi principali sono:
-verificare il coinvolgimento o meno della crosta nella deformazione neogenica;
-verificare la profondità raggiunta dei piani di distacco dei corpi carbonatici;
-verificare quale significato crostale assumono i lineamenti trascorrenti riconosciuti in superficie;
-verificare il reale significato del presunto raddoppio crostale nel settore sud-tirrenico;
-definire la reale profondità della Moho Africana al di sotto della catena nella Sicilia Centrale;
-comparare lo spessore e lo stile tettonico della pila di falde sepolte nella Sicilia orientale con il cuneo di thrust affioranti nella Sicilia occidentale;
-definizione dei caratteri originali e delle variazioni laterali della litosfera con particolare riferimento alla transizione della crosta siciliana con quella ionica;
-produrre un modello crostale sintetico della Regione Siciliana. Tale modello costituirà un necessario collegamento ai problemi inerenti il progetto di sismica crostale programmato nella Sicilia centrale (prosecuzione del progetto CROP). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Raimondo CATALANO Università degli Studi di PALERMO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo generale è di contribuire alla comprensione dei meccanismi che regolano la dinamica dell'area del Mediterraneo centrale caratterizzata da processi di subduzione (s.l.) continentale ed oceanica, con lo studio delle relazioni tra le unità tettoniche superficiali e le strutture profonde della Catena Siciliana e del suo prolungamento marino. Lo scopo pertanto è quello di riconoscere i caratteri crostali significativi ( profondità del basamento e della Moho, spessore ed eterogeneità laterali ecc.) e di integrarli con i dati relativi all'assetto e all'evoluzione stratigrafica e strutturale del settore siciliano per ottenere un modello crostale sintetico. Tale modello costituirà un necessario collegamento ai problemi (acquisizione ed interpretazione) inerenti al progetto di sismica crostale programmato nella Sicilia centrale (prosecuzione del progetto CROP).
In particolare le singole unità avrebbero i seguenti obiettivi:

Palermo. Unità di ricerca coordinata dal Prof. R. Catalano
Costruzioni di sezioni geologiche bilanciate dal Tirreno Meridionale al Canale di Sicilia attraverso la Sicilia, grazie all'integrazione di dati a scala regionale che saranno ottenuti attraverso l'interpretazione dei numerosi profili sismici multicanale presenti nell'area ed analisi meso-strutturali. Ricostruzione cinematica quantitativa dei processi tettonici (raccorciamenti, estensione) che hanno determinato subsidenza e/o sollevamento. Definizione, attraverso la ricostruzione dei domini paleogeografici, dei caratteri originari e delle variazioni laterali della litosfera nel tempo. Identificazione e ruolo dei processi tettonici profondi (subduzione della placca iblea-ionica) e superficiali (topografia della catena a pieghe) nell'evoluzione delle diverse unità strutturali del sistema collisionale in Sicilia sulla base di modellizzazione numerica quantitativa.

Palermo. Unità di ricerca coordinata dal Prof. Luzio
Definizione di un insieme di modelli di velocità e densità delle strutture crostali lungo la fascia indagata, compatibili con i dati della sismica WA, con le anomalie gravimetriche e geomagnetiche, con i dati della sismica passiva e con i vincoli petrologici disponibili. Tali modelli dovranno prevalentemente costituire un'estensione verso il basso di quelli elaborati dalle altre unità coinvolte nel progetto, sulla base delle informazioni geologiche e di sismica a riflessione NV.
Contributo all'interpretazione geologica dei modelli, ed in particolare alla comprensione dell'interazione tra i processi profondi e di superficie in questo settore del Mediterraneo centrale.

Trieste. Unità di ricerca coordinata dal Prof. Nicolich.
Analisi dei dati geologici e individuazione delle problematiche e dei punti chiave per la comprensione dell'assetto delle geometrie strutturali dell'area e della sua evoluzione. Selezione delle linee sismiche di buona qualità, loro interpretazione in collaborazione con Palermo (Unità del prof. Catalano). Reprocessing con tecnologie avanzate (analisi di velocità, migrazione pre-stack, analisi tomografiche etc.) e costruzione di sezioni dopo conversione in profondità da usare nella modellizzazione geofisica e geologica. <<<

Risultati parziali attesi

I prodotti attesi per il primo anno sono: dati stratigrafici e strutturali nell'area in studio; interpretazione dei profili sismici; sezioni bilanciate. Sezioni sismiche riprocessate con tecnologie avanzate e relativi modelli 2D di velocità e di densità. Verranno inoltre presentati i risultati di un'analisi di attendibilità dei modelli ottenuti. Raccolta di dati e data base per profili sismici a riflessione eseguiti nell'area e nei mari circostanti e per i pozzi.Profili geologici a scala crostale calibrati da dati gravimetrici e magnetometrici; ricostruzione quantitativa della dinamica e della cinematica deformativa del sistema collisionale affiorante in Sicilia; determinazione del ruolo del processo di subduzione della placca ibeo-ionica nell'evoluzione tettono-sedimentaria Miocenica-Recente delle differenti zone del sistema di collisione e di subduzione nel Mediterraneo Centrale. Modelli di densità e velocità 3D ottenuti dalle indagini tomografiche e il modello della fascia litosferica oggetto di questo studio, sulla base delle informazioni geofisiche, geologiche e metrologiche. Interpretazione dei profili sismici riprocessati e modellizzazione geofisica e geologica di profili estrapolati in profondità. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'evoluzione tettonica Neogenica del Mediterraneo centrale è stata controllata dai movimenti di placche all'interno di un sistema generalmente convergente legato allo spostamento relativo tra Africa ed Europa. I movimenti relativi di queste placche e dei loro margini hanno prodotto sistemi di subduzione (s.l.) sia continentale (es. sistema collisionale Appennino-Maghrebide secondo alcuni A.A.) sia oceanica, sviluppatisi in aree limitrofe a zone in distensione (es. Bacino Tirrenico). Il processo di subduzione verso ovest della litosfera adriatica sotto il blocco Sardo-Corso (Malinverno and Ryan, 1986; Patacca et al., 1990; Faccenna et al., 1996) è comunemente ritenuto come causa della formazione di tali sistemi, mentre l'arretramento dello "slab" è considerata la causa dell'apertura di bacini di "retro-arco", progressivamente più recenti verso sud-est (Gueguen et al., 1998 con riferimenti). Il pattern di distribuzione ipo- ed epi-centrale della sismicità ad ovest della Calabria e dell'Appennino meridionale (Gasperini et al., 1982) ed il vulcanismo calc-alcalino delle Isole Eolie (de Astis et al., 2003 con riferimenti) è in accordo con la presenza di un piano di subduzione, immergente verso nord-ovest, costituito dalla placca ionica (Cernobori et al., 1996; Doglioni et al., 1999; Catalano et al., 2002). Subduzione ed accrezione della catena sono contemporanei alla distensione di tipo retro-arco nel Bacino Tirrenico (Malinverno & Ryan, 1984; Oldow et al., 1990).
Un settore crostale di grande interesse per la comprensione degli eventi geodinamici che hanno portato all'attuale assetto dell'area del Mediterraneo è quello che si sviluppa tra la Sardegna, il blocco Pelagiano-Ionico ed il Tirreno meridionale e che comprende la Sicilia. In questa regione, negli anni più recenti, sono state condotte ricerche finalizzate alla raccolta di dati geologici in terra e in mare, carte geologiche, analisi stratigrafiche e strutturali, interpretazioni di profili sismici a riflessione profondi ed a rifrazione, dati di magnetometria e gravimetria etc. e alla elaborazione di modelli riguardanti questa regione di catena/avampaese situata al margine tra la zolla Africana e quella Europea.
Malgrado l'alto livello di conoscenza raggiunto rimangono ancora insoluti alcuni problemi, quali:
• La profondità dei piani di scollamento legati tanto alla compressione quanto alla distensione;
• La profondità della Moho sotto la catena;
• Lo spessore della crosta nel settore settentrionale siciliano in relazione all'apertura del Tirreno e nell'area meridionale in relazione al rifting del Canale di Sicilia;
• Il coinvolgimento del basamento (africano) nella catena;
• L'esistenza di lineamenti trascorrenti ritenuti di importanza crostale ma rilevati solo in superficie;
• Gli spessori delle coperture sedimentarie deformate;
• La composizione della crosta ionica (oceanica o continentale assottigliata?)
Un contributo fondamentale alla comprensione della Geologia siciliana può venire da un approccio multidisciplinare (geologia e geofisica) che consenta di correlare i dati provenienti dalle strutture superficiali con le geometrie dei livelli crostali profondi. La conoscenza delle strutture profonde della Sicilia e dei meccanismi che ne hanno determinato l'evoluzione può rivelarsi fondamentale per riuscire a prevedere le catastrofi naturali e per sfruttare meglio le risorse. Le ricerche, finalizzate al raggiungimento di questi obiettivi, potrebbero avere quindi, alcune ricadute socio-economiche dirette ed indirette (pericolosità sismica, esplorazione petrolifera, energia geotermica, protezione dell'ambiente).
Il settore crostale siciliano è caratterizzato da tre unità presenti in terra e nelle aree marine adiacenti: a) un'area di avampaese affiorante nella Sicilia sud orientale e sommersa nel Canale di Sicilia e nell'adiacente Mar Ionio. La successione sedimentaria ricopre rispettivamente crosta continentale assottigliata e crosta oceanica (Finetti 1982). L'attuale avampaese rappresenta la parte ancora non deformata del margine continentale passivo e della sua piana abissale oceanica formatosi nel Giurassico sup. - Cretaceo inf. (Catalano et al., 2002); b) un'avanfossa recente localizzata nell'offshore meridionale della Sicilia e nell'altopiano Ibleo lungo il margine settentrionale dell'avampaese; c) una catena di età neogenico-quaternaria costituita (dall'interno all'esterno) da un elemento Europeo (Unità Peloritani), un elemento "Tetideo" (Unità Sicilidi) ed un elemento Africano (Unità Appennino- Maghrebide).
a) Il complesso di subduzione (s.l.) della Sicilia ed il suo prolungamento offshore appaiono dunque come una catena composita, vergente verso E e SE, spessa a luoghi piú di 16 km, costituita dalle unitá cristalline kabilo-calabridi (Amodio Morelli et al. 1986; Sulli, 2000) e dalle unitá sedimentarie appenniniche o siciliano-maghrebidi (Catalano & D'Argenio, 1982; Catalano et al., 1989; Bianchi et al., 1989; Roure et al., 1990; Antonelli et al., 1991; Casero & Roure, 1994; Lentini et al., 1994; Finetti et al., 1996; Catalano et al., 1996). Recenti studi, basati su dati di sismica a riflessione, descrivono la catena siciliano-maghrebide come il risultato di un cuneo di embrici di piattaforma carbonatica meso-cenozoica, cui si sovrappongono unità carbonatiche bacinali permo-mesozoiche con le loro coperture clastiche neogeniche a loro volta, ricoperte tettonicamente da Unità più interne (Unità Sicilidi e del Flysch Numidico, Bianchi et al., 1989, Catalano et al., 1993, 1996; Catalano, 1998; Bello et al., 2000; Catalano et al., 2000). I risultati della interpretazione sismica in Sicilia (Bianchi et al., 1989; Casero e Roure, 1994; Bello et al., 2000; Catalano et al., 2000a) richiedono comunque ulteriori studi concernenti il rapporto tra i thrusts profondi e le falde più superficiali, la definizione della profondità e geometria dei piani di scollamento ed il coinvolgimento o meno del basamento nel sistema di catena.
b) L'area di avanfossa (Bacino di Gela) sviluppatasi in tempi recenti al margine settentrionale del Canale di Sicilia risulta in parte sepolta dal fronte della catena nella Sicilia meridionale e nell'adiacente offshore (Falda di Gela, Argnani et al., 1989; Antonelli et al., 1991; Catalano et al., 1993, 1995; Grasso et al., 1998).
La geometria di imbricazione e la deformazione interna delle unità originarie suggeriscono un'evoluzione tettonica legata alla combinazione di underplating e rotazione delle falde verso l'avampaese pelagiano; il tempo di questa deformazione è compreso tra il Miocene inf. e il Pleistocene medio. Lo sviluppo simultaneo, nelle unità alloctone, di sovrascorrimenti e retroscorrimenti, crea delle depressioni strutturali occupate da bacini sintettonici (thrust-top-basins) che accolgono sedimenti d'età Miocene superiore-Pleistocene inf. Sovrascorrimenti e complessi movimenti laterali sono accompagnati da rotazioni orarie a larga scala delle unità tettoniche (Oldow et al., 1990; Channell et al., 1990).
Il sistema di catena-avampaese si continua nel settore ionico ad est della scarpata di Malta. Qui è stato identificato un prisma di accrezione SE vergente, il quale sovrasta tettonicamente l'avampaese ionico immergente verso NW. Nel cuneo di accrezione le unità sedimentarie e cristalline risultano scollate dal loro originario substrato lungo un piano che progressivamente si approfondisce verso NW. Le coperture sedimentarie poggerebbero su crosta oceanica (Finetti, 1982; Catalano et al., 2002) o crosta continentale assottigliata (Cernobori et al., 1996). La presenza della prima, se definitivamente verificata, confermerebbe come il processo di subduzione abbia favorito la formazione dell'arco vulcanico (Arco eoliano) sviluppatosi nel Tirreno meridionale.
I dati di sismica acquisiti nello Ionio Occidentale sono di non immediata associazione con le strutture della crosta riconosciute altrove (Cernobori et al., 1996; Catalano et al., 2000b). Secondo Cernobori et al., (1996) la mancanza di evidenti correlazioni fra questi intervalli, assegnati alla zona di transizione crosta-matello, e la riflettività molto meno organizzata delle croste oceaniche note altrove sarebbero in favore della presenza di una crosta continentale, pur fortemente assottigliata e quindi meccanicamente prossima ed assimilabile ad una crosta oceanica e con un mantello "depleted" a densità eccezionalmente elevata (Ismail Zadeh et al., 2003).
Un particolare contributo alla evoluzione del sistema geodinamico Tirreno-Sicilia proviene dalla raccolta di nuovi dati sismo-stratigrafici nelle aree marine contermini. L'interpretazione della linea sismica Crop M6A che attraversa il Tirreno Meridionale fino alla costa settentrionale siciliana mostra un segmento di crosta continentale Siciliana (Africana), che si flette progressivamente verso nord, al di sotto della crosta continentale Kabilo-Calabride (Catalano et al., 2002).
In quest'area sono stati riconosciuti a) un'evento compressivo del Miocene sup. - Pliocene inf. all'origine della formazione di alti strutturali (es. Alto di Solunto) e bacini intra-scarpata (es. bacino di Termini Imerese); b) un'evento distensivo pliocenico quale causa dell'apertura ed approfondimento di bacini distensivi (es. Bacino di Cefalù; Catalano et al., 2002; Pepe et al., 2003a) e dell'assottigliamento crostale e sub-crostale del margine continentale nord siciliano (Pepe et al., 2000). Pepe et al. (2004), utilizzando metodologie di analisi tipo "forward modelling", hanno dimostrato che la profondità del livello di necking è un parametro chiave che ha controllato lo stile del rifting. La profondità del basamento di pre-rift e della Moho osservata e calcolata dal modello convergono entro minimi limiti d'errore assumendo un valore di necking pari a 6.5 km ed un valore di rigidità litosferica (EET) dipendente dalla temperatura (isoterma 500° C).
I dati geofisici disponibili (magnetometria, gravimetria e sismica a rifrazione) vanno certamente riorganizzati e collegati al contesto geologico prima descritto. L'interpretazione dei dati magnetometrici suggerisce che la profondità del tetto del basamento magnetico, (assunto impropriamente come cristallino) varia tra gli 8 km e 10 km al di sotto dell'Avampaese Ibleo e della Sicilia occidentale, mentre nelle aree settentrionali varia tra 11 km e 14 km. Un sollevamento del basamento è stato evidenziato lungo l'allineamento Palermo-Milazzo (Sicilia orientale), dove lo stesso raggiungerebbe una profondità compresa tra 6.5 km e 7.4 km (Cassano et al. 1986). Questo valore va verificato essendo possibile che esso possa riferirsi ai livelli sepolti dell'edificio cristallino peloritano.
I modelli delle strutture crostali nell'area siciliana sono stati finora definiti principalmente mediante l'interpretazione dei dati di profili sismici a rifrazione (DSS) acquisiti fin dagli anni '60 (Cassinis et al., 1969; Colombi et al., 1973; Colombi et al., 1979; Italian Explosion Seismology Group, 1982; Carrozzo et al., 1987a; Carrozzo et al., 1987b; Carrozzo et al., 1989) in alcuni casi vincolata con l'interpretazione delle anomalie di Bouguer.
Tutte le sezioni sismiche acquisite prima del 1994 in forma analogica sono state recentemente digitalizzate, controllate ed archiviate dai ricercatori del CNR di Milano. Le interpretazioni 2D effettuate sui dati analogici risentono del loro basso rapporto segnale-rumore originale per l'impossibilità di effettuare su di essi un denoising numerico e della loro bassa frequenza di campionamento lungo gli offset. Nei modelli crostali definiti per l'area siciliana in corrispondenza dei profili sono state quindi rappresentate soltanto le principali superfici di discontinuità (talvolta il tetto del basamento cristallino, il tetto della crosta inferiore, la Moho).
Le sezioni sismiche digitali sono state reinterpretate da Osculati et al. (1995) in termini dell'andamento di una crosta media. Per sintetizzare i modelli ottenuti gli autori hanno suddiviso la Sicilia in tre domini differenti caratterizzati da valori medi diversi della profondità della Moho. Nel dominio tirrenico lo spessore crostale raggiunge un valore massimo di 20 km vicino la costa della Sicilia; nel dominio ibleo la profondità media della Moho è circa 27 km, mentre nell'area rimanente tale profondità varia tra 30 km e 40 km, raggiungendo il valore massimo al disotto della fossa di Caltanissetta e della parte settentrionale della catena maghrebide siciliana.
I più recenti contributi alla modellazione della litosfera nell'area siciliana provengono dall'interpretazione (Chironi et al., 2000) di alcune sezioni sismiche WARR ad elevata densità di campionamento sia lungo il tempo sia lungo l'offset, registrate nel 1994 dal Gruppo Sea-Land nell'ambito del progetto Crop Mare II.
La presenza di una così gran mole di dati, pur in parte controversi, indica che la Sicilia e nelle aree maine contermini è un'area chiave per studi finalizzati alla conoscenza dell'interazione tra processi profondi e superficiali da utilizzare nei modelli geodinamici del settore centrale del Mediterraneo. Gli studi e le ricerche volti alla conoscenza ed al confronto dei caratteri geologici e geofisici dell'area in studio saranno, inoltre, di fondamentale importanza perl'intepretazione degli elementi riflettenti entro la crosta intermedia e profonda non affiorante e mai raggiunta dai pozzi nell'eventualità di l'acquisizione di un profilo sismico a grande penetrazione previsto in Sicilia (progetto CROP). <<<