RICERCA ITALIANA     

Evoluzione recente del processo di subduzione dell'arco calabro:
vincoli geologici, sismologici, geochimici e modellazione sperimentale.

Università degli Studi Roma Tre

Abstract

Circa 30-35 Ma fa, il piano di subduzione al di sotto dell'arco calabro si estendeva in direzione NE-SW lungo tutto il margine di Iberia, dall'Appennino settentrionale sino a Gibilterra. Nel Mediterraneo centrale la sua evoluzione neogenica è stata principalmente caratterizzata dal moto retrogrado della zona di subduzione permettendo l'apertura, nelle aree di retro-arco, del bacino Liguro-Provenzale (30 - 16 Ma) e del Mar Tirreno (12 Ma - attuale). In particolare, durante le ultime fasi d'arretramento (ultimi 10 Ma) il piano di subduzione è stato progressivamente deformato e larghe finestre di subduzione si sono aperte. Tali finestre sono riconoscibili sotto al Canale di Sicilia e sotto l'Appennino meridionale. Questo ha portato alla riduzione della porzione attiva del piano (<300 km) e alla formazione dell'arco calabro. Il processo di deformazione del piano di subduzione ha probabilmente avuto conseguenze sullo stato termico della zona di arco, sul vulcanismo, e sulla cinematica stessa del piano di subduzione. Sebbene il complesso di subduzione calabro sia stato oggetto di numerosi studi geologici, sismologici e geochimici, diversi aspetti di questo processo rimangono ancora insoluti.
L'obiettivo primario del seguente programma di ricerca è la definizione dei meccanismi termici e meccanici che hanno condizionato l'evoluzione dei processi di subduzione, convergenza e magmatismo lungo l'arco calabro durante gli ultimi 10 Ma. Il raggiungimento di questo obbiettivo prevede utilizzo di metodologie (sismologia, geochimica, interpretazione di linee sismiche, datazioni radiometriche, geomorfologia) e tecniche modellistiche differenti (fluidodinamica e termomeccanica), per il conseguimento dei seguenti obiettivi parziali: definizione dell'attuale geometria crostale e mantellica del sistema di subduzione attraverso tomografia sismica (Unità Messina); definizione del campo di stress sismico del sistema di subduzione (Unità Messina); definizione delle geometrie ed età dei sistemi di accavallamento del prisma di accrezione calabro attraverso interpretazione delle linee sismiche off-shore (Unità Roma TRE); definizione lungo due transetti in Calabria dei processi di sollevamento-erosione, mediante analisi geomorfologica e datazioni assolute (Unità Roma TRE); definizione della natura delle sorgenti di mantello pre-subduzione e delle componenti crostali aggiunte ad esse dai processi di subduzione, tramite una caratterizzazione geochimica e isotopica di depositi vulcanici e serie sedimentarie poste al di sopra della placca in subduzione (Unità Napoli); definizione delle relazioni spazio-temporali tra vulcanismo calc-alcalino e alcalino sodico e potassico (Unità Napoli); messa a punto di un nuovo apparato termo-meccanico per simulare processi di subduzione e convezione (Unità Roma 1 e Roma TRE); modellazione della circolazione del mantello in tre-dimensioni intorno a placche in subduzione e all'interno di finestre di subduzione (Unità Roma 1, Roma TRE, Napoli, Messina); modellazione dell'evoluzione del sistema di subduzione dell'arco calabro (Unità Roma 1, Roma TRE, Napoli, Messina).
Il raggiungimento degli obiettivi preposti sarà reso possibile dall'integrazione e dalla collaborazione di quattro Unità di Ricerca (Roma TRE, Messina, Napoli, Roma 1), che permetteranno l'utilizzo di discipline sismologiche (tomografia sismica crostale e litosferica, localizzazioni ipocentrali, meccanismi focali, analisi dei tensori di stress e anisotropia sismica), geochimiche (concentrazioni degli elementi maggiori, elementi in tracce, analisi isotopiche), geologiche (rilevamento geomorfologico, datazioni, interpretazione dei profili sismici a riflessione) e modellistiche (modelli di laboratorio termo-meccanici, analisi di immagine). L'interazione e la collaborazione tra le Unità partecipanti forniranno una visione interdisciplinare, unitaria e originale del processo di subduzione in Calabria. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Claudio FACCENNA Università degli Studi ROMA TRE

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo principale del seguente programma di ricerca è la definizione dei meccanismi termici e meccanici che hanno condizionato l'evoluzione dei processi di subduzione, convergenza e magmatismo lungo l'arco calabro durante gli ultimi 10 Ma.
Il conseguimento di questo obiettivo implica utilizzo di metodologie, discipline e tecniche modellistiche differenti che dovranno esser integrate per il raggiungimento dei seguenti obiettivi parziali:

- Definizione dell'attuale geometria e struttura crostale e mantellica del sistema di subduzione, attraverso la tomografia sismica e l'analisi dell'anisotropia di propagazione delle onde sismiche (in particolare la tomografia fornirà anche strumenti per stime accurate dei parametri delle sorgenti sismiche)(Unità Messina);
-Individuazione dei sistemi di deformazione sismica e definizione dello stress sismogenetico nel sistema subducente e nelle unità tettoniche sovrastanti, attraverso la stima dei parametri sismici (localizzazioni ipocentrali, meccanismi focali, tensori di stress e strain) (Unità Messina).

- Analisi dello stato di deformazione attivo nel prisma di accrezione calabro attraverso interpretazione delle linee sismiche off-shore e acquisizione ed interpretazione di nuove linee sismiche ad alta risoluzione in aree chiave (Unità Roma TRE).
-Definizione delle geometrie ed età dei sistemi di accavallamento del prisma di accrezione calabro attraverso interpretazione delle linee sismiche off-shore. Questa analisi permetterà la ricostruzione del processo di convergenza nello spazio e nel tempo attraverso tecniche di retro-deformazione bilanciate (Unità Roma TRE, Unità Messina).
- Definizione lungo due transetti Tirreno-Ionio (attraverso la Sila e le Serre) dei processi di sollevamento-erosione, con particolar riguardo agli intervalli più antichi, mediante analisi geomorfologica e diversi metodi di datazioni (tracce di fissione, metodo U/Th, termoluminescenza, 14C, cosmonucleidi) (Unità Roma TRE).
- Definizione delle caratteristiche geochimiche-isotopiche del mantello prima dello sviluppo della subduzione, mediante analisi di prodotti del magmatismo pre-orogenico (Punta delle Pietre Nere) (Unità Napoli).
- Definizione delle caratteristiche geochimiche-isotopiche delle componenti crostali aggiunte al mantello, mediante analisi di serie sedimentarie attese al di sopra della placca in subduzione (Unità Napoli).
- Definizione delle relazioni spazio-temporali tra vulcanismo calc-alcalino e alcalino sodico e potassico con acquisizione di nuovi dati in aree chiave (Tunisia settentrionale e Piana Campana) e riesame di dati disponibili (Unità Napoli);
- Messa a punto di un nuovo apparato termo-meccanico in grado di simulare processi di subduzione e convezione nel mantello in tre dimensioni, e modellazione dei processi di erosione termica e meccanica ai lati della placca in subduzione calabra e dei processi di sollevamento e accrezione del sistema di subduzione della placca superiore (Unità Roma 1, Unità Roma TRE).
- Modellazione fluidodinamica quantitativa in laboratorio per la comprensione della circolazione del mantello in tre dimensioni intorno a placche in subduzione e all'interno di finestre di subduzione, con applicazione al caso del Tirreno (Unità Roma 1; Unità Roma TRE; Unità Napoli; Unità Messina).
- Modellazione tri-dimensionale dell'evoluzione del sistema di subduzione dell'arco calabro (Unità Roma 1; Unità Roma TRE; Unità Napoli; Unità Messina).

Il raggiungimento degli obiettivi preposti si basa sull'integrazione delle diverse discipline coinvolte nel progetto (sismologiche, geochimiche-vulcanologiche, geologiche e modellistiche). Il coordinamento e l'interazione tra queste diverse discipline forniscono la possibilità di una visione originale del processo in studio. E' previsto dunque un alto grado di interazione tra le diverse Unità, ingrediente indispensabile per il successo del progetto. La collaborazione tra le diverse Unità è già comprovata dai numerosi studi effettuati in comune nell'ambito di precedenti progetti MIUR, Gruppo Nazionale Vulcanologia, e Gruppo Nazionale Difesa dei Terremoti. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il lento processo di convergenza tra Africa ed Europa ha prodotto processi di collisione tra blocchi continentali e processi di subduzione di bacini oceanici. Durante il Neogene, in particolare, i processi di subduzione nel Mediterraneo sono tali da generare la formazione di bacini di retro-arco quali il bacino Ligure-Provenzale, il bacino Algerino, il bacino Tirrenico, il sistema di bacini del Mar Egeo. Attualmente i resti di questo vigoroso processo di subduzione possono essere riconosciuti sismologicamente al di sotto dell'arco ellenico e al di sotto della Calabria. In Calabria, in particolare, il piano di Wadati-Benioff e le immagini tomografiche identificano un piano di subduzione molto stretto (minore di 300 km), immergente ad alto angolo verso NW e sottoposto a compressione (Selvaggi e Chiarabba, 1995; Figura 1).

Figura 1 - Schema tettonica del Tirreno meridionale. In grigio chiaro e scuro sono rappresentati rispettivamente i centri vulcanici ad affinita' orogenica e non. L'attribuzione a queste categorie del Monte Vulture e' controversa. Con le linee tratteggiate sono indicate le isobate della superficie di Wadati-Benioff.

Al generale accordo circa il ruolo chiave del processo di subduzione nel Mediterraneo Centrale (ad es. Malinverno e Ryan, 1986; Patacca et al., 1990;Bonardi et al., 2001; Doglioni et al., 2001; Faccenna et al., 2004) fa riscontro una notevole incertezza sul meccanismo che abbia portato alla riduzione della sua ampiezza. Recentemente, sotto l'impulso dell'incremento di risoluzione delle immagini tomografiche, larga enfasi è stata rivolta ai processi di deformazione del piano di subduzione (Carminati et al., 1998; Gvirtzman e Nur, 1999; Wortel e Spakman, 2000; Faccenna et al., 2004; Faccenna et al., 2005). Tuttavia, i meccanismi secondo i quali questo processo è avvenuto sono attualmente poco chiari, come è poco chiaro se il piano di subduzione calabro sia realmente attivo. Dati geodetici (Hollestein et al., 2003; D'Agostino e Selvaggi 2004) mettono in luce che i processi di estensione nel Mar Tirreno sono quiescenti, riducendo a pochi millimetri annui la velocità di convergenza lungo il margine calabro che durante il Pliocene doveva esser di almeno 3-4 cm/anno. Inoltre, dati sismologici mostrano l'assenza di terremoti superficiali legati al processo di sottoscorrimento. Informazioni preziose sul processo di deformazione della placca in subduzione possono essere dedotte dalla storia flessurale della placca, dall'attività dei bacini di retro-arco e dal vulcanismo.
È noto che la zona di subduzione calabra sia arretrata per circa 300-400 km durante gli ultimi 10 Ma, causando l'apertura del bacino Tirrenico (Malinverno e Ryan, 1986; Patacca et al., 1990 Guegen et al., 1998).

Figura 2 - Schema evolutivo in tre stadi da Faccenna et al. [2005]. La linea tratteggiata indica il limite ipotetico tra maagmatismo orogenico e non. Per ogni stadio sono riportati solo i vulcani in attivita'. La freccia grigia indica la possibile traiettoria del flusso di mantello [Civello and Margheriti, 2004].

Durante questo moto retrogrado la placca in subduzione ha cominciato a lacerarsi e deformarsi diminuendo la sua ampiezza fino allo stato attuale. Processi iniziali di deformazione sono probabilmente avvenuti già nel Tortoniano superiore, vale a dire contemporaneamente alla formazione dei primi bacini estensionali del tirreno meridionale (Kastens et al., 1998), lungo il margine settentrionale Tunisino. In quest'area, infatti, dovrebbe esser avvenuta la separazione iniziale tra il piano di subduzione nord-Africano (Tell), oramai inattivo, e il piano di subduzione calabro (Casero e Roure, 1994). Il vulcanismo registra questa prima lacerazione. Infatti, nella zona di rottura in Tunisia settentrionale, il vulcanismo orogenico di Nefza e Galite (14-8 Ma; Savelli, 2002) viene sostituito da basalti alcalini sodici di Nefza e Mogods (8-6 Ma) (Figura 2a). Nel Messiniano superiore, si assiste alla progressiva disattivazione del sistema di flessurazione anche nel canale di Sicilia, limitando ad occidente il fronte attivo della catena (Argnani et al., 1987; Casero e Roure, 1994). Durante queste fasi si struttura il bacino oceanico del Vavilov nel Tirreno meridionale mentre il Canale di Sicilia viene attraversato da un sistema di rift che dalla zona di foreland raggiunge i fronti di accavallamento ormai inattivi (e.g Argnani, 1990). Anche in questo caso, si assiste ad una pulsazione di vulcanismo alcalino-sodico anorogenico (seamount Aceste) posizionato in modo anomalo nell'area di retro-paese e accanto al seamount calc-alcalino di Anchise (Beccaluva et al., 1994; Savelli, 2002 cum ref.) (Figure 1, 2b). La configurazione attuale del piano di subduzione calabro è avvenuta probabilmente 1-0.8 Ma fa con la disattivazione del sistema orogenico della Sicilia meridionale (Argnani, 1987) e dell'Appennino meridionale (Patacca et al., 1990; Mattei et al., 2004). Nell'area di retro arco, contemporaneamente, si ha lo spostamento del centro di accrezione oceanico nel bacino del Marsili, mentre i centri vulcanici di Ustica e Prometeo posizionati ad est dell'arco eoliano, dimostrano come il vulcanismo ad affinità anorogenica del tutto simile a quello del Canale di Sicilia (ad es., Pantelleria), sia progressivamente migrato verso oriente nell'area di arco.
In sintesi, è riconosciuta una diminuzione del fronte attivo di subduzione. Questo meccanismo è caratteristico delle zone di arco mediterranee e può essere riconosciuto in aree come nell'arco di Gibilterra e lungo l'arco dei Carpazi (Royden, 1993; Lonergan e White, 1997; Faccenna et al., 2004 cum ref.). I dati vulcanologici e le immagini tomografiche lasciano ipotizzare che la progressiva riduzione del fronte attivo della subduzione sia accompagnata in profondità dalla formazione di una finestra di subduzione, evidente sia nell'Appennino meridionale sia nel Canale di Sicilia (Figura 3).

Figura 3 - Immagine 3D del mantello sotto il Tirreno meridionale dal modello tomografico di Piromallo e Morelli [2003]. La isosuperfice verde racchiude il volume di mantello con anomalie di velocita' superiori a +0.8%. I livelli alle profondita' di 250 e 650 km sono mostrate in trasparenza.

Mediante questo meccanismo il piano di subduzione calabro ha la possibilità di separarsi progressivamente dalle parti adiacenti continentali e di proseguire la sua corsa verso est-sudest consumando litosfera Ionica. Tuttavia, il meccanismo attraverso il quale si apre la finestra in subduzione prevede una perdita piuttosto ingente di materiale in subduzione in un lasso di tempo breve, in modo del tutto analogo a quanto proposto per la Kamchatka settentrionale (Levin et al., 2001). I dati vulcanologici mostrano come nelle finestre di subduzione sia penetrato mantello posto al di sotto del piano di subduzione (Figura 2). Questo indica che la circolazione nel cuneo assume aspetti tri-dimensionali piuttosto complessi e ancora poco definiti. Con tutta certezza, l'instaurarsi di una circolazione "toroidale" ai lati del piano di subduzione induce sia un aumento delle temperature nella zone di arco e del piano di subduzione, probabilmente inducendo processi di erosione termica del piano stesso (Davaille e Lees, 2004; Funiciello et al., 2004; Kincaid e Griffth 2004) e probabilmente accelerando il processo stesso di arretramento della placca in subduzione (Dvorkin et al., 1993). Molti aspetti di questo meccanismo sono tuttavia ancora poco compresi e necessitano sia di studi analitici sia di simulazioni ad hoc.

L'obiettivo primario di questo programma di ricerca è la definizione dei meccanismi termici e meccanici che hanno condizionato l'evoluzione recente del piano di subduzione calabro.
Il raggiungimento di tale obiettivo implica l'utilizzo di differenti metodologie, discipline e tecniche modellistiche che saranno integrate per contribuire alla soluzione delle seguenti questioni:

- Il processo di subduzione in Calabria è attivo?
I dati paleomagnetici indicano che il processo di arcuatura della Calabria si è praticamente completato nel Pleistocene medio (Gattaceca e Speranza, 2002 cum ref; Mattei et al., 2004). I dati geodetici indicano che il processo di convergenza attuale nel piano di subduzione è ristretto a pochi mm/anno (Hollenstein et al, 2003; D'Agostino e Selvaggi, 2004). In questo quadro tettonico, la sismicità profonda del piano di Wadati-Benioff potrebbe esser interpretata come connessa ad una progressiva perdita di identità della litosfera in subduzione (slab break-off). In questo contesto appare fondamentale un riesame delle geometrie e del campo di sforzi superficiale e profondo cui è sottomesso il piano di subduzione (Unità di Messina).

-Il processo di accrezione lungo il prisma calabro è attivo?
Esistono al momento un numero limitato di studi pubblicati sulle geometrie e lo stato di attività del prisma di accrezione calabro. Ad esempio, alcuni autori mostrano come il processo di flessurazione al piede del prisma sia suturato da depositi messiniani, mentre i bacini di piggy-back (Cernobori et al., 1996) e alcuni thrust esterni (Doglioni et al., 1999) denunciano una fase di attività recente. È dunque possibile che il regime di accrezione sia cambiato nel tempo. Un esame di tutto l'ingente patrimonio di sismica a riflessione disponibile sembra dunque indispensabile per ricostruire lo stile e le geometrie del processo di sottoscorrimento/accrezione (Unità di Roma TRE e Unità di Messina).

- Qual è la geometria superficiale della placca in subduzione?
La geometria della placca in subduzione nei primi 50-70 km è poco conosciuta. Linee sismiche mostrano un riflettore correlabile con la Moho che sembra flettersi di circa 15° su una distanza di circa 60 km al di sotto dell'arco calabro (Cernobori et al., 1996). A maggiori profondità la geometria è classicamente definita attraverso la zona di Wadati-Benioff (Selvaggi e Chiarabba, 1995). Indagini tomografiche dovrebbero permettere di definire in modo più accurato la geometria superficiale della zona di subduzione (Unità di Messina e Unità di Roma TRE).

- Quale meccanismo ha indotto il sollevamento della Calabria?
Il sollevamento della Calabria è un processo piuttosto vistoso che dovrebbe essersi sviluppato dal Pleistocene medio. La lunghezza d'onda del processo lascia ipotizzare che questo sia connesso con processi probabilmente sub-litosferici, in maniera del tutto simile a quanto ipotizzato per il resto dell'Appennino (Bordoni e Valensise, 1998; D'Agostino et al., 2001). Diversi modelli sono stati proposti per spiegare questo processo. È possibile ottenere un sollevamento diminuendo la frizione lungo il piano di subduzione (Giunchi et al., 1996) oppure è possibile ipotizzare che le cause siano connesse ad un'interruzione (rottura dello slab) del processo di subduzione (Westaway, 1993). Per la soluzione di questo problema si ritiene necessario: i) incrementare lo stato delle conoscenze circa il processo di sollevamento, principalmente investigando le tracce più antiche e meno definite del processo (Unità di Roma TRE), ii) verificare la continuità e l'integrità della placca in subduzione nella parte più superficiale (Unità di Messina), iii) mettere a punto tecniche modellistiche innovative che permettano di simulare, in laboratorio, questo tipo di processi in tre dimensioni. (Unità di Roma 1 e Unità di Roma TRE).

- E' possibile ricostruire l'evoluzione nel tempo e nello spazio delle sorgenti mantelliche del vulcanismo nel Tirreno meridionale?
E' noto che nel Tirreno meridionale vi è coesistenza spaziale e temporale tra magmi ad affinità orogenica e magmi alcalino-sodici ad affinità OIB. Questo dualismo è stato variamente interpretato, ma esiste un certo grado di convergenza nel considerare la seconda sorgente come prodotta da flussi di mantello che si muovano al bordo o all'interno di finestre della placca in subduzione (Doglioni et al., 2001; Marani e Trua, 2002; Trua et al., 2003; Faccenna et al., 2004;; Faccenna et al., 2005). Stabilire questa relazione richiede la definizione geochimica ed isotopica della composizione pre-orogenica del mantello, la definizione del contributo dei prodotti sedimentari subdotti, e le relazioni spazio/temporali in alcune località chiave dove le conoscenze circa la transizione tra i due tipi di vulcanismo sono attualmente carenti (Unità di Napoli).

- E' possibile ricostruire il moto del mantello indotto dal processo di subduzione?
Placche in subduzione di dimensioni ristrette (&#38;#38;lt;300 km) presentano complessità elevate poiché la circolazione del mantello non è visualizzabile attraverso modelli bi-dimensionali di "return flow", ma prevede movimento vigoroso di mantello attorno alle terminazioni laterali della placca stessa (Dvorkin et al., 1993; Funiciello et al., 2004). Questo meccanismo è stato chiamato in causa per spiegare alcuni caratteri vulcanologici del magmatismo circum-tirrenico ed etneo (Gvirtzman e Nur, 1999; Doglioni et al., 2001; Marani e Trua, 2002; Trua et al., 2003). Alla propagazione delle onde SKS, il mantello presenta anisotropie che permettono di ipotizzare processi di flusso toroidale attorno al piano stesso (Civello e Margheriti, 2004). Il ruolo di questi processi può essere molteplice, poiché lo spostamento di materiale mantellico caldo da sotto il piano di subduzione nella zona di arco potrebbe provocare processi locali di decompressione (Kincaid e Griffith, 2003), aumento delle temperature (Davaille e Lees., 2004), modificazione del chimismo del mantello (Marani e Trua, 2002), erosione della placca in subduzione, e accelerazione del moto retrogrado della placca (Dvorkin et al., 1993). Lo studio di tali processi può esser effettuato mediante una verifica sismologica accurata dello stato di anisotropia del mantello (Unità di Messina), mediante studi geochimici e vulcanologici in aree in cui è avvenuta la transizione tra vulcanismo orogenico e vulcanismo anorogenico (Unità di Napoli), e mediante uno studio modellistico che permetta una quantificazione del loro ruolo nel contesto del Mediterraneo centrale (Unità Roma 1). <<<