RICERCA ITALIANA     

Analisi della deformazione e dello sforzo nel Sistema di Bacini dell'Europa Centrale: integrazione fra modellizzazione numerica e dati geologici, geofisici e satellitari.

Università degli Studi di Milano

Abstract

Il presente progetto integra modellistica numerica, osservazioni geofisiche, geologiche e satellitari (GPS e DInSAR) allo scopo di analizzare la deformazione e lo stato di sforzo nel Sistema di Bacini del Centro Europa (CEBS). Durante le recenti decadi, una considerevole quantità di dati geologici, geofisici e, più recentemente, satellitari sono stati raccolti in differenti parti dell'area in esame. La disponibilità di dati dettagliati che ricoprono l'intera crosta in un ambiente di bacino è unica e reclama una integrazione su scala regionale al fine di scoprire i meccanismi di formazione, evoluzione e inversione dei bacini in condizioni di campo di sforzo variabile (estensione, compressione, transtensione, transpressione) e di capire il ruolo di elementi crostali anomali, definitisi durante la tettonica precedente. Il progetto si focalizzerà sulla dinamica dei bacini dal Tardo-Carbonifero fino ad oggi. La evoluzione di questa parte dell'Europa dal Tardo-Carbonifero ad oggi è essenzialmente il risultato della apertura dell'Atlantico e della orogenesi Alpina. Durante questo periodo, in seguito ad un indebolimento termico della crosta e ad una fase di scorrimento fra la Tornquist-Line e la Elbe-Fault-Zone, si iniziarono a formare alcuni bacini (North Sea Basin, German Basin and Mid Polish Basin). Inoltre, differenti aree subirono inversione, localizzata principalmente lungo zone relativamente mobili e subsidenza durante il cenozoico, in parte innescata dalla tettonica dei Sali. Tuttavia, c'è ancora un considerevole disaccordo sui meccanismi responsabili della deformazione osservata. Nell'ambito del presente progetto si svilupperanno nuovi modelli numerici agli elementi finiti che includono tutte le nuove informazioni disponibili nell'area, in termini dati geologici e di sismica, composizionali, tettonici e di temperatura, con particolare attenzione all'area del CEBS. In particolare, le informazioni geofisiche e geologiche che verranno fornite dai nostri partner esteri saranno fondamentali per la definizione di un modello 4D (spazio e tempo) che tenga conto delle variazioni della reologia della crosta e della litosfera in Centro e Nord Europa. La geometria delle strutture tettoniche implementate nell'ambito dei modelli agli elementi finiti saranno coerenti con i risultati della tomografia sismica forniti dal GFZ-potsdam e con la storia termica fornita dalla Università di Aachen. Le condizioni al contorno associate alla convergenza Africa-Eurasia saranno basate sulle soluzioni di velocità ricavate dalla rete di stazioni permanenti GPS nell'area in studio, che mostrano una significativa deviazione da quelle fornite dal modello di tettonica a placche NUVEL-1A comunemente utilizzato. Le numerose informazioni che possono essere dedotte dai dati GPS e DInSAR sono potenzialmente utili per migliorare e validare i modelli matematici utilizzati per modellizzare i processi responsabili della deformazione nell'area in studio e in particolare per meglio chiarire il ruolo che la mobilizzazione dei sali e i due principali sistemi di faglie della regione, le Elba Faults e la Tornquist Zone, hanno sul pattern di deformazione e sforzo locale osservato. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Anna Maria MAROTTA Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo generale del presente progetto, basato su un uso sinergico di modellistica numerica e osservazioni geofisiche, geologiche e satellitari (GPS e DInSAR), è l'analisi della deformazione e dello stato di sforzo nel sistema di Bacini del Centro Europa. In particolare si focalizzerà l'attenzione sul ruolo che la mobilizzazione dei depositi salini e due sistemi marginali di faglie dirette lungo WNW-ESE, l'Elbe Faults System a sud e la Tornquist Zone a nord, hanno nel regime di sforzo e di deformazione nel Sistema di Bacini del Centro Europa (CEBS).
In particolare, il primo obiettivo consiste nel valutare la interazione fra lo stato di sforzo regionale e la deformazione locale nel CEBS al fine di riuscire a distinguere gli effetti dovuti a variazioni subite dalle condizioni al contorno durante il periodo analizzato (dal Tardo Carbonifero ad oggi) dagli effetti dovuti alle variazioni nella reologia della litosfera del Nord e Centro Europa. Per chiarire l'impatto che i diversi livelli litosferici e la loro reologia variante nel tempo hanno sullo stato di deformazione/sforzo, si costruirà un modello per l'intero sistema di Bacini del Centro Europa basato sulle informazioni riguardanti la struttura della litosfera e della crosta derivate da esperimenti di sismica profonda condotti negli ultimi 15 anni. A tale scopo saranno cruciali le informazioni di carattere geologico e geofisico provenienti dai partner esteri (GFZ-potsdam e University of Aachen) per lo sviluppo di un modello tridimensionale che tenga conto in maniera opportuna delle variazioni nella reologia della crosta e della litosfera del Centro e del Nord Europa.
Il secondo obiettivo è di accoppiare la deformazione tettonica predetta con la deformazioni derivata dalla analisi degli effetti che l'aggiustamento isostatico (GIA - Glacial Isostatic Adjustment) ha in Centro e Nord Europa. E' stato già dimostrato dal gruppo di ricerca della Università di Milano che per una corretta interpretazione delle velocità di deformazione in Centro Europa è necessario combinare tettonica e GIA. Tale approccio combinato è quindi indispensabile nella analisi dei Bacini sedimentari del Centro Europa, dove le loro strutture complesse possono indurre effetti locali di riorientamento e focalizzazione della deformazione e dello sforzo.
Il terzo obiettivo del progetto è di confrontare e di validare i risultati dei modelli predittivi sia con dati geologici e geofisici, in parte utilizzati come input alla analisi modellistica, che con dati derivati da tecniche GPS e DInSAR, facenti uso di osservazioni ottenute da satellite.
Il processo di confronto fra previsioni di modello e osservazioni sarà condotto in maniera iterativa, al fine di ottimizzare i modelli e le previsioni da essi ottenute. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La maggior parte dei bacini del Centro Europa si svilupparono nel Permiano-Mesozoico su una litosfera fortemente anisotropa, risultante dagli eventi orogenici del Caledoniano-Varisico. La struttura antica della crosta dell'area è stata ricostruita attraverso il lavoro svolto nell'ambito del progetto EUROPROBE TESZ e del TMR network PACE (Paleozoic Amalgamation of Central Europe), sulla base dei risultati di numerosi rilevamenti di sismica profonda (MONA LISA, EGT, BABEL, DEKORP Basin96, POLONAISE, TOR). I risultati di questi studi hanno gettato luce sulle possibili relazioni fra proprietà della crosta profonda e la successiva evoluzione dell'area, fino ad oggi. Durante le ultime decadi una considerevole quantità di dati geologici, geofisici e, più recentemente, satellitari sono stati accumulate in differenti parti dell'area in esame. La disponibilità di dati dettagliati che ricoprono l'intera crosta in un ambiente di bacino è unica e richiama una integrazione su scala regionale al fine di scoprire i meccanismi di formazione, evoluzione e inversione dei bacini in condizioni di campo di sforzo variabile (estensione, compressione, transtensione, transpressione) e di capire il ruolo di elementi crostali anomali, definitisi durante la tettonica precedente. A tale scopo è necessario confrontare la evoluzione di differenti sub-bacini e le proprietà della crosta e della litosfera sottostanti per derivare un modello geodinamico consistente dell'area. I problemi scientifici sono simili per tutti i sub-bacini: modelli classici di evoluzione di bacini che non si adattano alla storia della subsidenza osservata, a causa di input termici esterni o di ripetuti eventi di riattivazione di aree particolari all'interno di bacini o a causa di una tettonica fortemente influenzata dalla tettonica dei depositi salini. Alcuni studi preliminari precedenti hanno già dimostrato che una interpretazione integrata di dati complementari geologici, geofisici e satellitari ha la capacità di vincolare modelli quantitativi di sistemi bacini fino ad un dettaglio fino ad ora sconosciuto. L'obiettivo scientifico di questo progetto è di investigare i processi geodinamici legati alla evoluzione del Sistema di Bacini del centro Europa, essenziale per capire lo stato di sforzo nell'area del Centro Europa. In particolare, il progetto si focalizzerà sulla dinamica dei bacini dal Tardo-Carbonifero fino ad oggi. La evoluzione di questa parte dell'Europa dal Tardo-Carbonifero ad oggi è essenzialmente il risultato della apertura dell'Atlantico e della orogenesi Alpina. Per quanto riguarda le fasi evolutive principali, è comunemente accettato dalla comunità scientifica che nel Tardo-Corbonifero un insieme di Bacini (North Sea Basin, German Basin and Mid Polish Basin) si iniziò a formare in seguito ad un indebolimento termico della crosta e ad una fase di scorrimento fra la Tornquist-Line e la Elbe-Fault-Zone. Inoltre, nel Tardo Cretaceo differenti aree subirono inversione, localizzata principalmente lungo zone relativamente mobili e subsidenza durante il Cenozoico, in parte innescata dalla tettonica dei domi salini. Comunque, c'è ancora un considerevole disaccordo sui meccanismi responsabili per la deformazione durante le fasi di transtensione e transpressione, riguardo il ruolo della reologia della crosta nel controllare la deformazione localizzata e riguardo il ruolo degli strati salini nel disaccoppiare lo sforzo attuale a differenti profondità nell'area in asame. La unità di ricerca della Università degli Sudi di Milano ha una vasta esperienza nella modellizzazione matematica di processi geodinamici, sia su scala globale che sulla piccola scala della deformazione intra-continentale in Centro Europa. Durante l'ultima decade A. M. Marotta ha contribuito a studi sul Sistema di Bacini del Centro Europa (CEBS) in cooperazione con U. Bayer, del GFZ-Potsdam, nell'ambito del progetto PACE, finanziato della Unione Europea e coinvolgente sette differenti paesi Europei. Relativamente al CEBS, l'interesse è focalizzato sulla struttura crostale e sulla sua relazione con la fase di consolidamento del Centro Europa. Una sintesi sulle strutture crostali viene fornita da Bayer et al. (1999, 2002). Relativamente alla interpretazione delle strutture crostali profonde e alla loro origine, una analisi relativamente recente del campo di sforzo/deformazione si è dimostrato cruciale. A. M. Marotta ha considerato questo problema durante la collaborazione con il gruppo di ricerca del GFZ-potsdam. Un primo modello di buckling litosferico lungo la linea sismica DECORP Basin'96 ha evidenziato che la forma attuale della MOHO è dovuta all'azione di un campo di sforzo compressivo ancora attivo (Marotta et al., 2000). In seguito, A. M. Marotta ha sviluppato un modello thin sheet bi-dimensionale agli elementi finiti che ha ulteriormente chiarito lo stato di sforzo attuale e la sua relazione con la deformazione locale, così come le relazioni fra il sistema degli sforzi globale e le variazioni dello spessore crostale e la reologia. Una volta lasciato il GFZ-potsdam, A. M. Marotta ha continuato a lavorare sul modello di thin-sheet, convertendolo da coordinate Euclidee in coordinate sferiche. Il suo modello di thin-sheet sferico, adattato al mondo reale, favorisce considerazioni sulle relazioni sforzo/deformazione nell'intera area dei bacini, tenendo conto delle differenze nella resistenza della crosta e della litosfera, come documentate dagli esperimenti di sismica. L'approccio numerico sferico è stato già utilizzato per analizzare la deformazione tettonica in Europa (A. M. Marotta et al., 2004; A. M. Marotta and R. Sabadini, 2004; Marotta, 2005). Tale approccio numerico permette di implementare le eterogeneità laterali nella reologia e nello spessore della litosfera. L'Europa, infatti, è caratterizzata da alcuni sistemi di bacini (ad es. Danish basins, German Basins, Pannonic Basins and Polish Basins) edall'estesa piattaforma Baltica nella parte settentrionale della regione studiata, che causano dei contrasti laterali significativi nella resistenza e negli spessori della crosta e della litosfera. Al fine di analizzare la distribuzione del paleostress regionale, differenti modelli tettonici sono stati implementati, che tengono conto di differenti condizioni al contorno, associate ai principali processi tettonici, come la convergenza Africa-Eurasia e l'apertura dell'Atlantico. Lo stato di sforzo attuale in Europa è controllato anche dal Rebound Post Glaciale (PRG). Modelli di ribound post glaciale sono stati utilizzati per quantificare la distribuzione dello stato di sforzo nella regione in studio (Marotta and Sabadini, 2002). Inoltre, la stessa classe di modelli saranno utilizzati per vincolare lo spessore e le variazioni laterali della litosfera in Centro Europa attraverso una procedura di inversione. Una analisi preliminare dei dati GPS e DInSAR ha fornito informazioni sulla deformazione orizzontale e verticale nella regione in esame e, nel caso del GPS, sul moto relativo fra Africa ed Eurasia, che è importante per vincolare per definire lo stato di sforzo. Il gruppo di ricerca coinvolto nel presente progetto ha già utilizzato le tecniche DInSAR per analizzare la deformazione in differenti ambienti tettonici (Crippa et al., 2001; Crippa et al., 2004; Crosetto et al., 2002; Crosetto et al., 2005). Il gruppo di ricerca della Università degli Studi di Milano è stato già coinvolto nella implementazione di modelli numerici utilizzati per simulare alcuni dei più importanti processi geofisici, come il rebound post-glaciale, collisione continente-continente e subduzione oceanica, responsabile della deformazione del sistema crosta-litosfera a livello di mantello, nell'ambito del ESA - ALENIA Spazio, intitolato "Laser Doppler Interferometry Mission for determination of the Earth's gravity Field" e finalizzato allo sviluppo di una nuova missione spaziale di gravità per la misura del campo di gravità a lunghezze d'onda più corte di 100 km. I risultati di questo progetto di ricerca sono di importanza per la interpretazione e la applicazione nell'ambito della Terra Solida dei dati gradiometrici che saranno ottenuti dalla missione spaziale ESA GOCE (Gravity and steady state Ocean Circulation Explorer). Il gruppo di ricerca della Università degli Studi di Milano è coinvolta anche in progetti con industrie italiane operanti nell'ambito delle tecniche spaziali per il monitoraggio terrestre, precisamente con Telespazio S.p.a., FMR Spazio e Space Engineering, finalizzati al monitoraggio temporale per la mitigazione del rischio sismico. Per quanto riguarda collaborazioni internazionali recenti, il gruppo di ricerca della Università degli Studi di Milano è coinvolto in una stretta collaborazione con il gruppo di Geometica dell'Istituto di Geomatica di Barcallona (Spagna), per lo sviluppo di nuove metodologie per il trattamento di dati DInSAR. <<<