RICERCA ITALIANA     

Faglie attive, grandi frane e dinamiche fluviali sul bordo meridionale dell'AFAR, Ethiopia

Università degli Studi di Siena

Abstract

Il Progetto ha il fine di investigare il bordo meridionale dell' AFAR nei dintorni della città Dire Dawa. La ricerca si svilupperà in due settori complementari: 1, geomorfologia e geologia del Quaternario; 2, geologia strutturale e morfotettonica.
Si intende investigare congiuntamente in modo qualitativo e quantitativo le relazioni esistenti tra la deformazione tettono-magmatica attiva di una placca continentale, i processi dinamici (sollevamento/subsidenza) responsabili della rapida deformazione della superficie topografica, i cambiamenti geomorfologici conseguenti a queste dinamiche ed in particolare le relazioni con l'attivazione di estesi movimenti gravitativi. Sono previsti:
1. Cartografia geologica, a scala 1:50.000, delle varie formazioni pre-Quaternarie e Quaternarie presenti lungo il bordo del Rift per poter valutare l'entità della deformazione e dei rigetti e la loro relazione con le scarpate di faglia.
2. Cartografia geomorfologica, a scala analoga, al fine di caratterizzare i processi che hanno condotto alla messa in posto delle varie unità e le relazioni morfo-stratigrafiche esistenti.
3. Individuazione delle relazioni esistenti tra la ubicazione delle faglie attive, i siti di emissioni basaltiche ed i centri eruttivi quaternari al fine di stabilire dei criteri geologico-strutturali per discriminare l'origine tettonica o magmatica dei segmenti di faglia lungo le zone di deformazione attiva;
4. Produzione di sezioni geologiche seriate attraverso il bordo del Rift, al fine di comprenderne le geometrie e l'evoluzione spazio-temporale delle strutture connesse al rifting Oligocenico e/o a fasi precedenti di riattivazione/inversione confrontate con situazioni simili in Appennino;
5. Stratigrafia dei depositi quaternari al fine di individuare gli elementi lito-, pedo- e crono-stratigrafici per lo studio dell'interazione tra movimenti tettonici, grandi movimenti franosi e sedimentazione alluvionale. L'obiettivo è quello di comprendere l'interazione tra l'attività delle faglie e le dinamiche deposizionali per risalire agli slip-rates durante il tardo Pleistocene e l'Olocene. Queste indagini permetteranno inoltre di comprendere la tipologia, modalità e grado di attività dei grandi movimenti franosi.
6. Creazione di una rete di capisaldi di misura GPS lungo due transetti che attraversano il sistema di faglie che delimita il plateau somalo dal fondo dell'AFAR. Le misurazioni verranno ripetute in due anni successivi si spera permetteranno di individuare la tipologia e l'entità dei movimenti indotti dalle faglie e dai grandi fenomeni gravitativi. Anche in assenza di movimenti nei due anni del progetto la creazione di questa rete, realizzata in collaborazione con il Dipartimento di Geologia e Geofisica di Addis Ababa, permetterà di ripetere le misurazioni in futuro e dunque costituisce il primo passo per una quantificazione precisa delle dinamiche dell'area.
5. Creazione di un GIS che permetta di raccogliere, elaborare, ripetere e confrontare le osservazioni in futuro.
7. valutazione dei parametri geologico-strutturali e del potenziale sismico delle faglie attive e loro relazioni con la sismicità dell'area e l'innesco di movimenti gravitativi (es., Keefer, 1984; Wells & Coppersmith, 1994);
8. analisi a "breve-termine", ovvero valutazione dei tassi di deformazione attuale (ultimi 10-12 anni) e monitoraggio della deformazione (tettonica, magmatica e gravitativa) attraverso l'impiego dell'interferometria differenziale da immagini radar. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Mauro COLTORTI Università degli Studi di SIENA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La ricerca ha i seguenti obiettivi:
1. Realizzare una Cartografia su base digitale georeferenziata delle formazioni pre-Quaternarie e Quaternarie, del pattern dei principali sistemi di faglie attive, dei principali movimenti gravitativi ad esse associati, e dei depositi alluvionali basata sui dati di rilevamento di terreno e di remote sensing;
2. Produzione di sezioni geologiche seriate attraverso il margine orientale del Rift, al fine di comprenderne le geometrie del sistema e la sua evoluzione spazio-temporale; Modi e stili di inversione/riattivazione saranno inoltre comparati con equivalenti esempi in Appennino.
3. Creazione di modelli digitali del terreno (DEM) di aree campione tramite interferometria di immagini radar (ERS-1, ERS-2 ed ENVISAT in tandem); Nei casi in cui sarà possibile applicare l'analisi di interferometria differenziale, saranno valutati i vettori ed i tassi di deformazione recente ed attiva del terreno nella aree di studio.
4. Data-base parametrico delle faglie attive e valutazione del loro potenziale sismogenetico;
5. Analisi morfometrica quantitativa delle scarpate di faglia attive attraverso rilevamenti di campagna e DEM ad alta risoluzione.
6. Valutare gli slip-rates delle faglie durante il tardo Pleistocene e l'Olocene.
7. Caratterizzazione delle relazioni tra le varie Unità litostratigrafiche e morfologiche.
8. Ottenere, attraverso una analisi stratigrafica di dettaglio dei sedimenti quaternari un record degli eventi deposizionali che possa essere utilizzato come riferimento per altri settori del Rift.
9. Comprendere la tipologia, modalità e grado di attività dei grandi movimenti franosi oltre che l'eventuale influenza che questi movimenti hanno avuto sulle dinamiche fluviali.
10. Porre le basi, attraverso la creazione di una rete di capisaldi GPS lungo due transetti, per la misurazione di precisione dei movimenti indotti dalle faglie e dai grandi fenomeni gravitativi presenti sul bordo orientale del Rift.
11. Creazione di un GIS che permetta di ripetere, raccogliere, elaborare e confrontare le osservazioni in futuro.
12. Confrontare le dinamiche di questo settore, ubicato in un'area di transizione ad un Rifting oceanico, con il comportamento del settore più meridionale dello stesso sistema di faglie sui bordi orientali del MER.
Durante tutta la durata del Progetto si lavorerà in stretta collaborazione in modo che i parametri geometrici e cinematici delle faglie attive verranno confrontati con i dati desunti attraverso metodologie geomorfologiche e di geologia del Quaternario. Si spera in tal modo di definire un modello comune della deformazione attiva del terreno, nonché il ruolo relativo e le interconnessioni tra i processi tettonici e quelli gravitativi. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'AFAR costituisce una delle poche aree al mondo dove si osserva la progressiva transizione tra Rifting oceanico (Mar Rosso e Golfo di Aden) ed un Rifting continentale (MER, Main Etiopian Rift). In questo settore, il sistema di faglie del bordo occidentale del MER (DZFB - Debre Zeit Fault Belt) si orienta ca. NS e prosegue verso nord delimitando il Mar Rosso. Le faglie del bordo orientale (WFB, Wongi Fault Belt) si orientano ca. N60E. e proseguono verso il Golfo di Aden (Mohr, 1967; 1987; Chorowicz et al., 1994; Bonini et al., 1997; Boccaletti et al., 1998; 1999a 1999b; Ebinger & Casey, 2001; Wolfender et al., 2004; Korme & Acocella, 2004). In questo settore l'estensione continentale è associata ad una deformazione "vulcano-tettonica" dovuta ad un incremento del processo di intrusione magmatica (Ebinger, 2005 cum biblio) a cui si accompagnano rapidi tassi di deformazione (sollevamento, subsidenza, tilting e rotazioni di blocchi su assi verticali) .
Lo sviluppo del Rift est-africano è notoriamente associato a mantle plumes (Schilling et alii, 1992; Ebinger & Sleep, 1998). I dati gravimetrici (Ebinger et alii, 1989) e quelli di sismica 3D (Keranen et alii, 2004) mostrano che la crosta al di sotto del domo del Rift est-africano e dell'Afar è assottigliata (es., Casey et alii, 2003). L'attività vulcanica ha una caratteristica composizione bimodale (es., WoldeGabriel et alii, 1990; Corti et alii, 2003 cum biblio) forse indicativa di un incremento nel tasso di estensione (Boccaletti et alii,1999). Nel settore settentrionale del MER la zona di fagliazione attiva, distribuita su una larghezza di circa 60 km già a partire da c.12 Ma, sembra si sia concentrata, negli ultimi 2 Ma, in una banda ristretta meno di 20 km, caratterizzata da una forte interazione tra processi di fagliazione, magmatismo ed allineamento di coni eruttivi (es., Ebinger & Casey, 2001).
L'evoluzione geodinamica dell'Afar è stata spiegata con un movimento tipo "manovella" (crank-arm model) (Sichler,1980; Souriot and Brun, 1992) del blocco della Dancalia posto tra i due poli euleriani ubicati ai margini nordovest e sudest. Abbate et alii (1995) hanno evidenziato il ruolo importante delle faglie trascorrenti nell'Afar. Tapponier et alii (1990) e Manighetti et alii (1998; 2001) suggerirono una rotazione oraria nel sud-Afar connessa ad un modello di "bookshelf" su faglie trascorrenti sinistre. Tale modello prevede movimenti diretti e trascorrenti sinistri su faglie orientate NW-SE ed una cinematica destra associata alle faglie orientate c. E-W. Beyth (1991) suggerisce un modello di taglio crostale destro quale svincolo tra l'Afar e iI Rift est-africano. L'interpretazione dei meccanismi focali dei terremoti in Afar, indicherebbe una principale cinematica normale e trascorrente per le faglie orientate NW-SE e solo una debole attività trascorrente destra delle faglie a direzione E-W, in accordo con il modello di "bookshelf" per il centro-Afar (Hostetter & Beyth, 2003). Come per il sud-Afar, anche la cinematica tardo-quaternaria delle faglie nel settore settentrionale del MER è oggetto di dibattito.. Bonini et alii (1997) e Boccaletti et alii (1998, cum biblio) suggeriscono una componente obliqua sinistra che sembra confermata anche dai meccanismi focali dei terremoti (Ayele,2000). Una componente obliqua destra è stata invece proposta da Chorowicz et alii (1994) e Acocella & Korme (2002). Diversi Autori hanno suggerito il ruolo esercitato dalle strutture preesistenti sullo sviluppo delle diverse geometrie e cinematiche (es., Korme & Acocella, cum biblio), così come la presenza di strutture legate a processi di inversione e riattivazione tettonica (Guiraud & Bosworth, 1997; 1999 cum biblio). Glougen et alii (2003), sulla base dei parametri quantitativi associati alle faglie (es., rapporto lunghezza/rigetto e diagramma di frequenza cumulativo delle dimensioni), hanno suggerito che la fagliazione attiva lungo la WFB può essere indotta dall'intrusione di dicchi a poca profondità che darebbero luogo, in superficie, a faglie normali. Secondo Corti et alii (2003), invece, lo sviluppo di faglie di neoformazione oblique e trascorrenti lungo la WFB sarebbe responsabile della localizzazione e della risalita del magma all'interno dell'asse del rift ed avrebbe favorito una concentrazione dell'attività vulcanica lungo i segmenti en-echelon della WFB.

Anche le Unità di Ricerca di Chieti e Siena, in collaborazione con il Prof. B. Abebe dell'Università di Addis Abeba, hanno già condotto studi geologico-strutturali e geomorfologici nel Rift etiopico nella Regione dei Laghi. Tali studi sono stati finalizzati alla definizione delle geometrie, delle cinematiche e dei tassi di deformazione tardoquaternari associati all'attività della WFB. I risultati preliminari dei nostri studi indicherebbero che la deformazione tardoquaternaria tra Asela e Ziway è stata principalmente accomodata da faglie fittamente spaziate orientate principalmente NNE-SSW caratterizzate da una principale direzione di estensione c. N95E (quindi con una trascurabile componente obliqua sinistra) e da tassi di dislocazione cumulativi dell'ordine di diversi mm/a (Coltorti et alii, 2003; submitted; Abebe et alii, 2005). Pertanto la raccolta di nuovi dati nella zona individuata per il presente progetto di ricerca, consentirebbe alle UR di ottenere un quadro regionale e dei risultati estesi a tutto il settore nordorientale del Rift etiopico.
Numerose ricerche sono state svolte sulle caratteristiche delle faglie che si osservano sul bordo meridionale del Golfo di Aden (Fantozzi e Sgavetti, 1998), o nei dintorni del Golfo di Tadjoura , al passaggio tra il dominio marino e continentale, o all'interno dell'AFAR, soprattutto in seguito alla crisi sismica del 1975 e del 1989 (Tapponier et al.,1990; Sigmundsson, 1992; Manichetti et al., 1997). La cronologia dei movimenti è scandita da depositi di scogliera corallina marginale disposti in due principali terrazzi attribuite al Pleistocene medio e superiore, oltre che depositi di conoide e di pianura alluvionale olocenici.
Il sistema di faglie bordiere della WFB all'interno del MER è caratterizzata da numerosi segmenti (Abebe et al., 1997; Bonini et al., 1997; Boccaletti et al., 1999a & b; Le Tordu et al., 1999; Coltorti et al., 2002a; Wolfender et al., 2004). La lunghezza di un singolo elemento è localmente superiore ai 10 km ma l'intero sistema si sviluppa per centinaia di chilometri 100 km. Nella parte centrale del MER, alla scarpata principale si associa un fascio di faglie antitetiche e sintetiche con scarpate molto fresche che originano un complesso sistema di horst, graben e semi-graben. Trasversalmente, questa serie di faglie può essere seguita per oltre 10 km, dal bordo del plateau somalo sino al Lago Zway. Le unità dislocate sono lave (Eastern Margin Units) generalmente coperte da ignimbriti (Asela Units; Abebe et al., 1997; Boccaletti et al., 1999) datate rispettivamente a 1,97-1,76 e 1,66 Ma. A quote più basse si osservano dislocazioni anche a scapito di lave alcaline e transizionali (Galo Salen Unit, 0,2-0,1 Ma). Nei pressi dei laghi (Zway, Abijata, Langano e Shala) le dislocazioni hanno interessato depositi lacustri pleistocenici ed olocenici (Le Tordù et al., 1999; Benvenuti et al., 2002; Coltorti et al., 2002a; 2002b). Questi laghi, similmente a quanto documentato nell'AFAR, sono stati interessati da oscillazioni negative ed il disseccamento quasi completo dei laghi durante la fase iniziale dell'Ultima Glaciazione e durante l'Ultimo Massimo Glaciale (LGM). Livelli alti dei laghi sono documentati durante gli Interstadiali dell'Ultima Glaciazione (OIS 3), durante il Tardiglaciale e l'Olocene Antico (Groove et al., 1975; Gasse & Street, 1978; Gillespie et al., 1983; Gasse, 2000; Le Tordu et al., 1999; Benvenuti et al., 2002; Coltorti et al., 2002a).
Purtroppo la mancanza di risoluzione topografica delle carte esistenti non ha permesso sinora di stabilire con precisione gli slip-rates di numerose faglie durante l'Olocene. Slip-rates medi di alcune faglie sono però stati desunti anche su base geomorfologica. Il fiume Katar, uno dei principali corsi d'acqua che drena il plateau somalo, taglia normalmente la scarpata generando una profonda valla scavata su roccia e proseguiva verso il lago Zway dove, nell'Olocene antico, originava un piccolo delta (Coltorti et al., 2002a; Coltorti et al., 2002b). Successivamente l'attività delle faglie di questo settore ha condotto all'abbandono della valle ed alla deviazione del fiume verso nord dove ha creato un nuovo sistema deltizio. L'attività della faglia è dunque documentata durante l'Olocene medio con un rigetto di oltre 10 metri in 6-4000 anni e dunque con slip-rates di circa 1,66-2,5 mm/yr. Più a sud, sul bordo orientale del Lago Langano, slip-rates di ca. 1 mm/yr sono documentati nell'Horst di Monte Dima lungo la Bole Fault, dove l'attività tettonica ha dislocato una unità pedostratigrafica attribuita all'Ultimo Interglaciale (100 m in ca. 100 ka; Coltorti et al., 2002c). In generale dunque datazioni radiometriche e/o considerazioni geomorfologiche hanno permesso di stabilire tassi di movimento da 0,5 ad oltre 2,5 mm/yr per ogni singolo elemento durante l'Olocene (Abebe et al., 2005).
Nella Regione dei Laghi, la complessità del bordo orientale del Rift ed in particolare della scarpata principale è accentuata dalla presenza di numerosi movimenti gravitativi di grandi dimensioni evidenziati da scarpate arcuate e semicircolari, trincee e contro pendenze di estensione chilometrica che si sovrappongono ai fenomeni di fagliazione superficiale. Alcuni dei più importanti movimenti sono stati osservati ad ovest di Asela o nel settore ad est del Lago Langano (Coltorti et al., 2002b) dove la presenza di superfici di scivolamento a bassa profondità sono documentate da elevate rotazioni dei blocchi (fino a 30°) che delimitano i semi-graben. La faglia di Munesa, che secondo Mohr (1987) segmentava trasversalmente il Rift, non prosegue all'interno del plateau somalo e costituisce invece il bordo orientale di un grande movimento franoso che presenta una grande scarpata semicircolare. Coltorti et al., 2002c hanno ipotizzato la superficie di scivolamento di questi movimenti sarebbe ubicata in corrispondenza dei livelli marnosi giurassico-cretacici. I movimenti disaccopierebbero il comportamento superficiale dei blocchi da quello profondo e spiegherebbero i movimenti osservati all'interno del Rift in seguito alle misurazioni GPS attraverso il Rift (Pan et al, 2002). I grandi movimenti gravitativi sebbene recentemente riconosciuti in alcuni settori dell'Altopiano ethiopico (Dramis et al., 2002; Tenalem & Barbieri, 2002) sono ancora uno degli elementi meno investigati del modellamento del paesaggio ethiopico.
Infatti, malgrado nell'area fossero state installate varie reti di misura (Ruegg et al., 1993; Jestin et al., 1994; Bilham et al., 1999; Walperdors et al , 1999; Pan et al., 2002), queste erano state tutte finalizzate alla individuazione dei movimenti tra le placche e non alla comprensione del comportamento delle faglie che le delimitano. Esistono pareri discordi sulle velocità di movimento tra la placca somala e quella nubiana. Asfaw et al., (1992) e Bilham et al.(1999) sottolineano la mancanza di movimenti vistosi mentre Pan et al. (2002) individuano movimenti compresi tra 3 e 6 mm/yr.
Le misure GPS sono relativamente semplici da eseguire e da ripetere nel tempo, ed i costi della strumentazione sono diminuiti progressivamente negli ultimi anni, per cui oggi questa tecnica si affianca o sostituisce, soprattutto per indagini su vaste aree, le tradizionali tecniche di misura topografica. Il GPS trova ampie applicazioni per monitoraggio degli spostamenti superficiali indotti da movimenti crostali, deformazioni cosismiche, sollevamento, subsidenza e fenomeni gravitativi di versante (Gili et al., 2000; Malet et al., 2002). Durante la campagna dell'autunno 2004, è stata installata una rete GPS (oltre 40 punti) lungo due transetti che intercettano le varie unità strutturali dalla sommità dell'Altopiano somalo al fondo del Rift (zona del lago Zway). Questa rete è stata collegata alla stazione di Addis Abeba, che era stata utilizzata anche in passato e ad un'altra stazione ubicata sul bordo occidentale del Rift (Bilham et al., 1999; Wolpersdorf et al., 1999; Pan et al., 2002). Si tratta del primo sistema di monitoraggio GPS attraverso uno dei più importanti sistema di faglie del Rift etiopico. Una ripetizione delle misurazioni è prevista per la fine del 2005.
In questo settore sono inoltre state applicate tecniche di interferometria radar (SAR) allo studio delle strutture geologiche attive ha mostrato notevoli potenzialità sia nella valutazione che nel monitoraggio delle deformazioni del terreno loro associate. Modelli digitali del terreno (DEM) ad alta risoluzione, generati da interferometria radar, possono essere utilizzati per l'individuazione di scarpate di faglia attive, e la loro analisi morfometrica digitale può fornire ulteriori conoscenze sui parametri geometrici, cinematici e sul comportamento a lungo termine delle strutture sismogeniche (Hooper et alii, 2003; Pizzi & Pugliese, 2004). L'interferometria differenziale, inoltre, permette lo studio delle deformazioni del suolo a grande scala con un'accuratezza millimetrica (Zebker et alii, 1994). Questa tecnica, ha mostrato la sua utilità: a) nella valutazione delle deformazioni cosismiche (es., Stramondo et alii,1999); b) nello studio dei processi di deformazione lenta e costante del suolo, come i fenomeni di creep inter-sismico e/o legato a processi intrusivi magmatici e nel rilevamento dei fenomeni franosi (es., Kimura e Yamaguchi, 2000).
L'area che si intende investigare è un segmento della WFB in un settore di transizione tra il MER ed il Golfo di Aden, nei dintorni di Dire Dawa. La geologia dell'area è caratterizzata dall'affioramento sia dei depositi continentali e vulcanici di sin-rift sia della successione di pre-rift affiorante al letto delle faglie bordiere al margine del rift. Quest'ultima è rappresentata da rocce vulcaniche terziarie di pre-rift, e da una successione calcareo-marnosa mesozoica depostesi in discordanza angolare al di sopra del basamento cristallino di età archeana (Bosellini et alii, 2001 cum biblio).
L'area è stata scelta per la presenza di caratteristiche che dovrebbero permettere di meglio differenziare i movimenti tettonici da quelli gravitativi. I sedimenti del plateau si presentano orizzontali mentre, lungo il versante che delimita il Rift, sono presenti blocchi di estensione plurichilometrica, ruotati sino a 40° che suggeriscono la presenza di piani di scivolamento con componente listrica a profondità non elevate. Inoltre in questo settore, che anche durante il Pleistocene superiore doveva presentare caratteristiche di elevata aridità, si sono sviluppate vistose conoidi alluvionali. Alcune conoidi si presentano localmente profondamente dissecate dall'erosione fluviale e torrentizia e costituiscono dunque un possibile importante record per i movimenti tettonici e gravitativi. <<<