RICERCA ITALIANA     

Dinamiche nei complessi in subduzione: trasferimento di massa in sistemi fossili e confronti con esempi attuali.

Università di Pisa

Abstract

L'obiettivo principale del progetto è quello di elaborare un modello relativo al flusso di materiale nei margini convergenti attraverso l'analisi ed il confronto fra esempi fossili ed attuali. Il programma consisterà in ricerche di geologia strutturale, di tettonica e di stratigrafia su unità tettoniche rappresentative di diversi settori di prismi di accrezione. Le ricerche saranno focalizzate sui processi di accrezione frontale, underplating coerente e diffuso, erosione tettonica ed esumazione. Il progetto si propone di determinare come il flusso di materiale cambia al variare delle condizioni fisiche delle placche inferiore e superiore (spessore, vettore convergenza, ecc…) ed attraverso quali processi tettonici, come avviene il trasferimento di massa dalla fossa alle parti più interne di un margine e quale influenza questo bilancio ha sulla placca superiore e sulla sua evoluzione. In particolare, verranno studiate le unità Liguri Interne ed Esterne dell'Appennino Settentrionale, le unità ofiolitiche delle Alpi Liguri, le unità oceaniche metamorfiche e non metamorfiche della Corsica Alpina e dell'Arcipelago Toscano, le unità dei prismi di accrezione della Costa Rica, California e dell'Alaska. Il progetto prevede la partecipazione di 5 UO (Unità Operative). L'UO I di PISA avrà come principale obiettivo quello di investigare le caratteristiche strutturali dei processi di trasferimento di massa che avvengono mediante accrezione di materiale a livelli medio-superficiali. L'UO II di GENOVA avrà come principale obbiettivo quello di investigare le caratteristiche strutturali dei processi di trasferimento di massa che avvengono mediante l'underplating di materiale a livelli profondi e la successiva esumazione a livelli strutturali superficiali. L'UO III di MODENA avrà come principale obbiettivo quello di definire possibili cause, meccanismi ed effetti dell'alternanza tra l'accrezione e l'erosione tettonica frontale attraverso lo studio di un possibile esempio fossile. L'UO IV di FIRENZE avrà come principale obbiettivo quello di confrontare i volumi e le modalità di trasferimento di masse di sedimenti in un sistema convergente fossile per un loro confronto con quelle che sono implicate negli attuali prismi di accrezione lungo tipici margini attivi. L'UO V di BOLOGNA avrà come principale obbiettivo la definizione del gradiente paleogeotermico durante la storia deformativa delle unità strutturali coivolte nei processi di accrezione a livelli strutturali superficiali.
Il programma é articolato su due anni. In generale, nel primo anno le UO svilupperanno analisi strutturali associati a dettagliati rilevamenti geologico-strutturali, mentre nel secondo anno saranno sviluppati studi specialistici sui campioni raccolti, principalmente in laboratorio. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Michele MARRONI Università di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto che presentiamo propone di affrontare lo studio del flusso di materiale nei margini convergenti attraverso l'analisi ed il confronto fra margini convergenti fossili ed attuali, cercando di rispondere a due domande principali:
1) Come cambia il flusso di materiale al variare delle condizioni fisiche delle placche inferiore e superiore – spessore, vettore convergenza, ecc… – ed attraverso quali processi tettonici?
2) Come avviene il trasferimento di massa dalla fossa alle parti più interne di un margine e quale influenza questo bilancio ha sulla placca superiore e la sua evoluzione?
Il progetto che proponiamo si concentra sullo studio di aree chiave di prescelti complessi accrezionali fossili (Appennino Settentrionale, Corsica settentrionale, California Settentrionale e Alaska) combinando la ricerca sul terreno, rivolta ai rapporti fra tettonica e sedimentazione, alla ricostruzione geodinamica e dell'evoluzione strutturale, con l'ausilio di tecniche analitiche, e alla verifica dei processi di scambio di massa agenti in margini attivi scelti come limiti attualistici/laboratori naturali (Costa Rica).
Il criterio seguito per la scelta delle aree da studiare comprende la conservazione e l'esposizione di spesse porzioni di prisma, l'accessibilità, l'esistenza di variazioni lungo catena delle condizioni al contorno, buone esposizioni in transetti, buon livello degli elaborati geologici di base.
Il progetto si articola in modo da investigare i vari processi che completano il ciclo nel prisma, dall'ingresso di materiale al sistema, agli scambi tra placca inferiore e superiore (accrezione ed erosione tettonica), fino alla risalita in superficie. In particolare è prevista la definizione di:
- relazioni tra spessore sedimentario della placca inferiore e processi tettonici di trasferimento di massa;
- relazioni tra caratteristiche fisiche dei sedimenti (grado di compattazione, litificazione e diagenesi) e distribuzione della deformazione (unità a mélange vs. unità coerenti);
- analisi della zona frontale del prisma dove il materiale sedimentato sulla placca inferiore si trasferisce alla placca superiore quando ancora non è litificato (accrezione frontale). La zona frontale rappresenta anche la più instabile con fenomeni gravitativi dipendenti sia dalla immediata risposta dinamica del prisma, sia dalla pressione dei fluidi. Su di essa si registrano quindi tutti i vari fenomeni di riciclaggio di materiale già accresciuto alla placca superiore e rimesso il gioco, tramite i fenomeni gravitativi, come sedimento di fossa che può essere ritrasferito alla placca superiore o entrare in subduzione.
- analisi dei processi tettonici di underplating, cioè di trasferimento del materiale, forzatamente litificato, dalla placca inferiore a quella superiore nelle zone intermedia e profonda. A livelli intermedi, saranno indagati anche fenomeni di erosione tettonica che, benché sospetti, sono di difficile individuazione poiché contrari alla fossilizzazione.
- analisi dei percorsi di risalita del materiale e delle deformazioni associate.
Come già accennato i margini scelti sono stati selezionati in modo che siano rappresentativi di condizioni al contorno diverse, che conservino buone esposizioni e una buona base geologica, e soprattutto che coprano tutti gli aspetti da investigare.
Le varie località prescelte dell'Appennino Settentrionale sono, ad esempio, rappresentative di diverse profondità di accrezione, da superficiale fino a medio-profonda, e registrano sia fenomeni di accrezione frontale che underplating. Sempre in Appennino Settentrionale è stata recentemente documentata la presenza di fenomeni di erosione tettonica, alternata nel tempo a fenomeni accrezionali poco profondi. La dettagliata base geologica ha messo anche in evidenza la presenza di numerosi bacini, presumibilmente collocati nelle varie porzioni della scarpata del prisma, e di numerosi depositi clastici e detritici che ancora devono essere chiaramente spiegati in termini di relazioni con gli eventi tettonici nel prisma.
Gli episodi accrezionali a livelli superficiali e medio-profondi registrati dai complessi della California settentrionale e dell'Alaska presentano caratteristiche strutturali diverse da quelle appenniniche (ad esempio presentano estese unità a mélange), in più il margine californaino è rappresentativo di subduzione di una litosfera oceanica praticamente priva di copertura sedimentaria. Il confronto di questi tre margini permette di indagare anche l'influenza dell'apporto sedimentario.
Le unità della Corsica settentrionale rappresentano alcune delle unità più profonde accrete al margine durante la subduzione alpina, mostrando paragenesi metamorfiche che arrivano anche alla facies eclogitica. Ricostruire la loro evoluzione significa poter quantificare la percentuale di underplating profondo nel bilancio di massa del sistema alpino-appenninico e definire le caratteristiche della deformazione profonda.
Il prisma terziario esposto sulla Penisola di Osa (Costa Rica meridionale) rappresenta un lembo di scarpata interna del prisma emersa, cioè la posizione avanzata di un margine convergente attivo (situazione comunemente impossibile da osservare direttamente, perché sottomarina). La penisola costituisce un laboratorio naturale dove fenomeni di instabilità della scarpata e le modalità della sedimentazione pelagica sono legati strettamente alla subduzione di elementi puntuali (es. seamounts) di crosta oceanica ispessita. Lo studio di questi depositi permette di definire l'assetto morfologico del margine durante la collisione di questi elementi, i prodotti sedimentari (es. depositi gravitativi) legati a questi eventi, nonché i loro effetti sulla dinamica di quella porzione di margine. I depositi registrano inoltre significativi cambiamenti nei processi tettonici passando da accrezione ad erosione tettonica.
Il risultato che ci aspettiamo di raggiungere alla fine del progetto è quello di definire e limitare i processi fisici di scambio di massa che hanno operato negli esempi di prismi prescelti, e, più in generale, che operano nei margini convergenti. L'obbiettivo è quello di riunire i vari modelli cinematici esistenti e proporre un quadro dinamico che spieghi come il flusso di massa durante subduzione ed esumazione vari nello spazio e nel tempo e porre vincoli precisi alle possibili variabili che controllano questi processi di crescita della crosta continentale. Questo tipo di esperimento, benché proposto e in esecuzione su margini attivi, sarebbe per la prima volta condotto su un margine fossile. Esperimenti come il cosiddetto "Subduction Factory" del progetto statunitense NSF-"Margins" mirano proprio allo studio del ciclo di materiale nelle zone di subduzione, nel particolare con forti implicazioni geochimiche, sono strategici nel quadro della conoscenza geologica, ma estremamente costosi e basati, per la maggior parte, su osservazioni indirette (GPS, indagini geofisiche etc.). Il progetto che noi presentiamo propone una lettura moderna dei processi che accompagnano la convergenza, con un'iniziale compenetrazione di metodologie di campagna e di laboratorio e racchiude un grande potenziale per fornire un modello di riferimento nello studio dello scambio di massa, con ricadute importanti per la conoscenza dei fenomeni associati e legati alla sismicità e vulcanismo. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I margini convergenti sono aree caratterizzate da flusso di materiale: scambio di sedimenti, rocce e fluidi fra la placca superiore ed inferiore, spostamento di masse all'interno e sulla superficie della placca superiore, litosfera che entra nel mantello, prodotti magmatici che risalgono nelle zone di arco (MARGINS, 2004, cum biblio). Il processo di subduzione, infatti, crea nuova crosta attraverso il vulcanismo di arco, oppure, meccanicamente, attraverso l'impilamento di depositi sedimentari e frammenti di crosta oceanica in strutture chiamate prismi di accrezione (Auboin, 1989; Moore & Sample, 1986; Sample & Fisher, 1986; Sample & Moore, 1987; von Huene and Scholl, 1991; Davis, 1996). Durante lo stesso processo, inoltre, materiale crostale può essere sottratto al prisma con processi di erosione tettonica (von Huene and Scholl, 1991; Fisher et al., 1998; Ranero & von Huene, 2000; Vannucchi et al., 2003; Fisher et al. 2004). Se è vero che parte del materiale viene così riciclato, magari dopo essere stato metamorfosato a diverse profondità, parte scompare nel mantello, e parte, viceversa, viene trasferito dal mantello alla crosta. La parte più superficiale del prisma, inoltre, è caratterizzata da sedimentazione di materiali detritici per flussi gravitativi (correnti di torbidità, debris flow, ecc.), provenienti sia dall'erosione del blocco continentale, sia dal rimodellamento del prisma stesso durante l'evoluzione del sistema convergente (Di Marco et al. 1995; Marroni et al., 2001; Vannucchi et al., 2003). I depositi prodotti possono poi entrare all'interno del sistema e partecipare al ciclo di subduzione.
Questo complicato e articolato scambio di materiale si traduce anche in scambio di energia, tanto che subduzione e collisione sono accompagnate da attività sismica e vulcanica, ed in scambio di elementi che arricchiscono il terreno su cui viviamo, gli oceani e l'atmosfera (MARGINS, 2004). Gli stessi gas idrati, potenzialmente una delle nuove forme di energia, sono generati in gran parte dai margini convergenti. Infine, nonostante nel bilancio globale la crescita dei continenti nelle zone di convergenza avvenga per minima parte grazie al contributo di processi amagmatici, come l'accrezione e l'esumazione, gran parte del territorio italiano o del suo basamento è stato originato principalmente da fenomeni di scambio fra una placca in subduzione ed una placca superiore. Questi processi hanno un impatto diretto sulla società perché sono causa di parte dei fenomeni sismici e vulcanici che affliggono, ad esempio, l'Italia centro-meridionale, ed una loro migliore conoscenza è imposta dalla necessità di prevenzione e controllo dei rischi naturali, nonché di un miglior sfruttamento delle risorse naturali prodotte in questi ambienti.
Gli studi di bilancio delle masse nei margini convergenti (von Huene and Scholl, 1991) suggeriscono che, del volume totale di depositi oceanici che entrano nelle zone di subduzione del globo, circa la metà viene "trattenuta" e impilata nei prismi (sia tramite accrezione frontale che trasferimento in profondità), mentre l'altra metà oltrepassa la zona del prisma e viene subdotta in profondità, dove può raggiungere il mantello profondo e cambiarne la chimica e la reologia. Queste percentuali, ovviamente, cambiano molto a seconda che ci si riferisca a margini non-accrezionali (Middle America Trench, Cile settentrionale), o a margini accrezionali di piccole/medie (Giappone settentrionale, Perù, Aleutine) o grandi dimensioni (Barbados). Da questi studi, basati esclusivamente su dati provenienti da indagini geologiche e geofisiche in margini attuali, emerge la complessità di quantificare precisamente l'entità di accrezione e subduzione, principalmente dovuta alla difficoltà di separare il materiale accreto frontalmente da quello sottoposto ad underplating, così come di valutare quanto del materiale subdotto venga accreto in profondità e quanto scenda definitivamente nel mantello. Tale difficoltà deriva dai numerosi fattori che influenzano lo scambio di massa in margini convergenti e che ne modificando l'equilibrio dinamico (MARGINS, 2004, cum biblio). Tra i fattori principali sono degni di menzione:
- il vettore convergenza, che controlla la velocità di sviluppo dei processi che operano durante la convergenza, ad esempio controllando il flusso di sedimenti o di fluidi che entrano nel sistema. La velocità di convergenza controlla anche la presenza e le caratteristiche delle zone di taglio, la relativa energia rilasciata sottoforma di calore o sismicità, e la partizione della deformazione;
- l'età della crosta in subduzione e la relativa temperatura. Una crosta spessa e fredda impartisce una struttura termica alla placca superiore completamente diversa da una crosta sottile e calda, influenzando così i processi legati al metamorfismo e alla migrazione di fluidi;
- lo spessore della placca superiore, che ha un controllo diretto sul carico e sul gradiente termico;
- il materiale portato dalla placca in subduzione nella zona di fossa, che ha un'influenza diretta sulla distribuzione di massa all'interno della placca superiore e sulla sua composizione (Moore & Sample, 1986). Questo ultimo parametro è particolarmente importante per il comportamento del materiale nei primi 40 km della zona di subduzione, ovvero per la zona che noi proponiamo di investigare. La dinamica della subduzione, in questo caso, dipende dalla natura dei sedimenti e delle rocce portate dalla placca inferiore, dal loro stato di compattazione, diagenesi e cementazione, e dal regime di deformazione presente nella zona frontale del margine;
- le caratteristiche topografiche e strutturali della placca inferiore, come ad esempio la presenza di strutture positive/negative, che possono causare instabilità gravitative del prisma e conseguente erosione tettonica (Fisher et al., 1998; Fisher et al. 2004);
- quantità e tipologia di fluidi presenti controllano sia i trasferimenti di massa che di calore, la deformazione dei sedimenti, le alternazioni del mantello, il magmatismo e le caratteristiche sismiche della zona di scollamento (Moore et al., 1987; Moore & Vrolijk, 1992);
- il tipo di materiale coinvolto e la presenza di fluidi in pressione influenzano anche il grado di disaccoppiamento tra le due placche a contatto, e di conseguenza anche lo stato di stress lungo la zona di scollamento (Moore et al., 1987).
L'interazione di questi fattori ha conseguenze complesse nell'evoluzione dei margini, così, ad esempio, se, da un lato, una bassa velocità di convergenza ed una spessa sequenza sedimentaria sulla placca inferiore, favoriscono i processi di accrezione (e quindi lo sviluppo di prismi ampi), dall'altro lo spesso input sedimentario fa si che la zona di scollamento si localizzi bene all'interno della sequenza sedimentaria, suggerendo che a grandi prismi è associato anche un grosso volume di sedimenti subdotti. Alla complessità nel flusso di materiale riscontrata tra diversi margini convergenti della terra, va ad aggiungersi la spesso profonda diversità riscontrata in un singolo margine (von Huene, 1984 cum biblio). Infatti, anche se presumibilmente alcuni dei fattori precedentemente citati si mantengano relativamente costanti, molti margini conosciuti, nella loro evoluzione temporale e spaziale, registrano variazioni dei processi tettonici di accrezione, dell'attività magmatica e dei prodotti associati, così come una diversa espressione topografica e geomorfologica del margine.
A completare l'evoluzione complessa del materiale dentro i margini convergenti, vanno aggiunti tutti i processi che portano a termine il ciclo, vale a dire quelli che determinano la risalita del materiale all'interno del prisma, dalle varie profondità di accrezione fino in superficie. Durante questo percorso verso l'alto le rocce, già deformate e metamorfosate durante il sottoscorrimento e il trasferimento alla placca superiore, subiscono nuove fasi di deformazione e riequilibrature metamorfiche. I tempi, i modi e i meccanismi strutturali dei trasferimenti di massa durante l'esumazione sono alcuni degli aspetti meno conosciuti dell'evoluzione di prismi di accrezione: molto recente, per esempio, è la conferma di come i processi di esumazione possano essere sorprendentemente rapidi (Amato et al., 1999; Rubatto & Hermann, 2001), con velocità di esumazione inaspettate, dell'ordine di alcuni cm/a. Nonostante la comprensione di questi fenomeni sia fondamentale per definire la velocità e le modalità di accrescimento continentale, scarsi sono, ad oggi, i dati e i modelli precisi che spieghino il ciclo di ritorno del materiale, e rimane ancora di primaria importanza selezionare quali sono le strade da percorrere per stimare percorsi e entità di risalita del materiale nel prisma. Alcuni dei tentativi di determinare il bilancio di massa in margini attuali, proposti nel progetto americano "Subduction Factory" (MARGINS, 2004), si basano sull'assunzione che i flussi di massa sono accompagnati da flussi di elementi chimici, e quindi se è possibile determinare le composizioni in entrata e in uscita e i coefficienti di ripartizione di certi traccianti geochimici, allora è possibile calcolare il flusso di massa all'interno del sistema. Nei prismi fossili, invece, mentre i valori di pressione e temperatura (P e T) relativi al picco metamorfico forniscono informazioni sulle massime profondità raggiunte durante la subduzione e sul gradiente del sistema, le relazioni tra le successive deformazioni e le riequlibrature metamorfiche sono gli strumenti che vengono maggiormente usati per ricostruire l'evoluzione metamorfico-strutturale durante la risalita. Tuttavia, molti sono i fattori che influenzano le modalità la conservazione di queste informazioni in superficie, e che quindi determinano il grado di errore delle stime che possiamo fare. Fondamentale è, ad esempio, la velocità con cui avviene l'esumazione: esumazioni rapide favoriscono la conservazione delle paragenesi metastabili di alta pressione/bassa temperatura e delle strutture precoci ad esse associate, mentre esumazioni lente permettono lo sviluppo di riequilibrature retrograde, associate a deformazioni sinmetamorfiche, che si sovraimpongono alle strutture e alle paragenesi di AP, obliterandole in maniera più o meno completa. Una volta stabilito questo, rimane la domanda fondamentale: quali fattori controllano la velocità di risalita delle rocce? Anche la velocità di deformazione dei volumi in corso di esumazione, e la tipologia stessa dei processi deformativi, possono influire sulle riequilibrature metamorfiche: la riduzione di grana della roccia e lo sviluppo di tessiture milonitiche aumenta la superficie lungo la quali le reazioni metamorfiche possono iniziare, mentre lo sviluppo di superfici di scistosità favorisce la circolazione dei fluidi che costituiscono un altro fattore accelerante delle reazioni. Rilevante è anche la ripartizione della deformazione durante l'esumazione, perché laddove si ha concentrazione in zone di taglio discrete, si conserveranno volumi poco deformati e poco riequilibrati in cui è possibile leggere anche gli stadi precoci dell'evoluzione. Un altro fattore importante è la reattività dei sistemi chimici rispetto a variazioni dei parametri del metamorfismo.
Volendo semplificare e riassumere, alcuni dei problemi fondamentali che a tutt'oggi rimangono irrisolti sono:
- quali sono i fattori chimici, fisici e tettonici che controllano il trasferimento, la circolazione e la risalita di materiale all'interno dei prismi di accrezione? In che modo questi fattori agiscono?
- cosa causa l'alternanza nel tempo e nello spazio tra accrezione e erosione tettonica, e quali sono le conseguenze in termini di riequilibrio dinamico del prisma?
- cosa causa la migrazione spaziale della zona di scollamento, che, nel tempo, sembra tagliare la stratigrafia della placca in subduzione a diversi livelli?
Il progetto si propone di rispondere a parte di queste domande attraverso l'analisi di prismi fossili. I risultati raggiunti permetteranno un confronto diretto con uno studio parallelo che attualmente ricercatori statunitensi stanno portando avanti in margini attuali. Il progetto, chiamato "Subduction Factory" e finanziato dal National Science Foundation, è impegnato nell'analisi e nella comprensione di tutti i processi che permettono la circolazione di masse e sostanze all'interno di scelti margini convergenti attuali (America Centrale e sistema Pacifico occidentale/Izu-Bonin-Mariana). Nonostante i margini attivi permettano di stimare precisamente tutte le condizioni al contorno e di monitorare continuamente l'attività, uno studio su margini fossili permette di valutare variazioni delle proprietà fisiche e delle risposte tettoniche a lungo periodo e offre la possibilità di analisi dirette delle rocce prodotte. Inoltre i margini fossili consentono l'accesso alle porzioni più profonde del sistema, e permettendo stime più complete del bilancio di massa, quantificando quantificare con precisione anche l'entità di underplating. <<<