RICERCA ITALIANA     

Termocronologia e modellazione termica in catene collisionali: il sito-campione della galleria del Sempione

Università degli Studi di Bologna

Abstract

Il progetto di ricerca si basa sulla possibilità di avere accesso per la prima volta –grazie alla collaborazione con il Museo Cantonale di Geologia di Losanna- alla raccolta completa dei dati e dei campioni ottenuti durante lo scavo della galleria ferroviara del Sempione. Tale galleria, lunga 20 km, attraversa i terreni metamorfici del Duomo Lepontino nelle Alpi centro-occidentali. Questo settore della catena alpina è stato caratterizzato da tassi di esumazione molto elevati. Ciò ha portato a importanti perturbazioni dell’assetto geotermico, testimoniate da un flusso di calore attuale di 60-70 mW m ^-2 e da varie manifestazioni idrotermali. La peculiarità di quest’area ha fatto sì che essa sia da molti anni oggetto di numerosi studi basati su metodi termocronologici, in particolare le tracce di fissione. Tali metodologie sono sensibili al regime termico nei settori più superficiali della crosta e permettono di porre dei vincoli quantitativi allo studio delle velocità dei processi tettonici e geomorfologici. L’interpretazione dei dati si basa però su diverse assunti, in quanto non esiste ancora un modello soddisfacente che tenga conto sia dei numerosi fattori che possono modificare la posizione delle isoterme (es. variazioni nelle velocità di sollevamento ed esumazione e nella topografia) che della cinetica del sistema termocronologico usato. Gli obiettivi di questo progetto sono quindi essenzialmente metodologici in quanto sarebbe uno dei primi casi in cui lo studio integrato della termocronologia e dell’assetto termico verrebbero applicati ad un alto numero di campioni raccolti in galleria, col vantaggio di poter disporre di una baseline perfettamente lineare e pressochè orizzontale.

I metodi analitici usati nel progetto saranno le tracce di fissione e il metodo radiometrico (U-Th)/He, entrambi su apatite. L’approccio multimetodologico consentirà di ricostruire l’evoluzione termica di ciascun campione attraverso una ampia gamma di temperature, tra i 120°C e i 60°C circa per le tracce di fissione e fino a circa 40°C per il metodo (U-Th)/He. Verranno utilizzati campioni a spaziatura regolare lungo il traforo e campioni di superficie, lungo la proiezione del tracciato della galleria. La campionatura sarà accompagnata dall’analisi dei dati strutturali poichè requisito fondamentale per la ricerca proposta è la conoscenza dei rapporti che intercorrono tra età di deformazione ed età di esumazione. Allo stesso tempo si prevede di raccogliere nuovi dati termici in pozzetti profondi. I dati ottenuti con le nuove misure di temperatura verranno integrati con i dati regionali disponibili per la realizzazione di un primo modello termico concettuale che descriva i principali meccanismi di trasmissione del calore, processi ed eterogeneità lungo un corridoio che attraversi l’intero segmento di catena delle Alpi Centrali. In particolare, verranno individuate le principali eterogeneità geologiche che disturbano il campo termico conduttivo, i principali circuiti idrogeologici superficiali e profondi e il segnale paleoclimatico. Verranno quindi preparati due modelli numerici a scale diverse: uno a scala litosferica (dalle molasse elvetiche alla Pianura Padana) ed uno, interno al precedente, di maggiore dettaglio. Quest’ultimo includerà l’intero settore metamorfico assiale delle Alpi Centrali e avrà dimensioni a scala crostale. La fase finale del progetto sarà dedicata alla realizzazione di un modello termico 3-D in grado di integrare i dati geofisici e termici con quelli derivanti dalla termocronologia. Il progetto ha una significativa valenza metodologica e potrà avere anche interessanti ricadute applicative in quanto le tecniche termocronologiche sono comunemente usate dall’industria petrolifera e lo studio del campo termico profondo e della sua evoluzione temporale trova applicazioni per la valutazione della pericolosità sismica delle aree tettonicamente attive e per la valutazione e lo sfruttamento delle risorse idriche e minerarie. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Massimiliano Zattin Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’interesse crescente verso l’interazione tra processi tettonici attivi e dinamica superficiale ha portato ad un sempre maggiore uso delle tecniche termocronologiche di bassa temperatura come le tracce di fissione e il metodo dell’(U-Th)/He su apatite. Poiché tali metodologie sono sensibili al regime termico nei 2-4 km più superficiali della crosta, esse permettono di porre dei vincoli quantitativi allo studio della velocità dei processi tettonici e geomorfologici in catene collisionali (e.g. Schlunegger &amp; Willett, 1999; Batt et al., 2000). Tuttavia, esistono tuttora notevoli incertezze riguardo alla cinetica dei processi alla base dei due metodi. Inoltre, il regime termico in catene in sollevamento è un processo transiente che dipende da vari fattori, quali le variazioni nelle velocità di sollevamento ed erosione. Tali problematiche sono oggetto di vari progetti internazionali in corso, ma raramente si ha la possibilità di utilizzare contemporaneamente dati termocronologici e termici sia di sottosuolo che di superficie. Il progetto nasce dalla disponibilità del Museo Cantonale di Geologia di Losanna a dare accesso all’intera collezione di campioni e dati raccolti durante lo scavo della galleria del Sempione (20 chilometri di lunghezza). Si è creata quindi un’occasione estremamente favorevole per lo studio del campo termico di un segmento di catena collisionale. Il traforo è circa centrale fra i profili NFP-20 West e NFP-20 East (Pfiffner et al., 1997) e, dal punto di vista del flusso di calore superficiale, dovrebbe essere caratterizzato da un valore di circa 60-70 mW m ^-2 (Della Vedova et al., 2001). Dal punto di vista tettonico, la galleria del Sempione si situa lungo il margine occidentale del duomo metamorfico Lepontino, area che ha registrato tra i maggiori tassi di esumazione di tutta la catena alpina.
Gli obiettivi di questo progetto sono molteplici ma essenzialmente di carattere metodologico, in quanto sarebbe uno dei primi casi in cui la termocronologia e lo studio dell’assetto termico vengono applicati ad un consistente numero di campioni raccolti in galleria. Infatti, la maggior parte degli studi termocronologici di sottosuolo ha riguardato finora campioni da pozzo che permettono una ricostruzione essenzialmente monodimensionale dell’assetto termico. Le relazioni tra topografia, sollevamenti e variazioni di flusso di calore sono state quindi finora analizzate soprattutto in maniera teorica. In questo studio invece si vuole fornire sia una base dati importante che un modello di riferimento in grado di soddisfare i dati ottenuti. Gli obiettivi possono essere quindi così schematizzati:
- migliorare le conoscenze riguardo i processi di annealing delle tracce di fissione e diffusione dell’Elio alle basse temperature;
- fornire un’informazione in 3-D sulla distribuzione attuale delle temperature in profondità per un settore rilevante e rappresentativo delle Alpi Centrali, per mezzo dell’analisi e integrazione dei dati disponibili e nuovi dati, modellistica termica e idrogeologica;
- verificare i meccanismi principali di trasmissione del calore alle diverse profondità e il modello termico concettuale, scomponendo per tentativi ed errori il flusso termico nei suoi contributi principale;
- definire un modello 3-D che tenga conto delle relazioni tra geoterme, esumazione e topografia.
Il primo obiettivo è particolarmente importante per quanto riguarda i metodi termocronologici usati, e cioè le tracce di fissione e il metodo dell’(U-Th)/He entrambi applicati su apatite. Poiché le rocce campionate durante lo scavo della galleria si trovavano a temperature piuttosto elevate (fino a 50°C), questo progetto ha le potenzialità per offrire un contributo nuovo riguardo la comprensione della cinetica dei processi di annealing e diffusione. E’ importante ricordare che il miglioramento delle conoscenze teoriche che stanno alla base dei metodi termocronologici ha un risvolto applicativo importante in quanto queste metodologie sono comunemente usate dalle industrie petrolifere. D’altra parte lo studio del campo termico profondo e della sua evoluzione temporale trova applicazioni per la valutazione della pericolosità sismica delle aree tettonicamente attive e per la valutazione e lo sfruttamento delle risorse idriche e minerarie. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L’area di studio è situata nelle Alpi Centrali e precisamente in corrispondenza del Duomo Lepontino, dove affiorano unità Penniniche interessate da metamorfismo terziario. Secondo alcuni autori le rocce attualmente esposte hanno raggiunto temperature massime a 35-30 Ma (Jäger, 1973; Steck &amp; Hunziker, 1994) mentre secondo altri il picco del metamorfismo è stato raggiunto tra 27 e 21 Ma (Engi et al., 1995). Il grado metamorfico aumenta da condizioni diagenetiche a nord fino alla facies anfibolitica in prossimità della Linea Insubrica (limite meridionale del Duomo Lepontino) e alla facies granulitica nell’area del massiccio del Bregaglia. Il Duomo Lepontino è delimitato lateralmente da faglie normali a basso angolo e zone di shear che, in un regime di estensione crostale parallela alla catena (Mancktelow, 1985 e 1992) hanno causato l’esumazione tettonica delle unità penniniche. La faglia del Sempione delimita verso ovest il Duomo Lepontino ed è costituita da due componenti (Mancktelow, 1992): una zona di shear ampia circa 8 km e potente 10-15 km, formata da miloniti fortemente foliate con una lineazione di stretching nel footwall orientata SW-NE (Simplon Shear Zone, Steck &amp; Hunziker, 1994), e una stretta zona di cataclasiti (Linea del Sempione), chiaramente più giovani delle miloniti. La zona di shear separa rocce in facies anfibolitica da rocce in facies scisti verdi. Allo stesso modo, il grado metamorfico sviluppatosi durante la milonitizzazione aumenta nel footwall verso NE. Poiché l’età del picco metamorfico non è stata ancora ben definita, anche la cronologia della zona di shear è piuttosto dibattuta. La maggior parte degli autori ritiene comunque che il picco metamorfico sia stato raggiunto tra i 35 e i 30 Ma (Jäger, 1973); l’estensione lungo il Sempione inizierebbe quindi dopo i 30 Ma. Basandosi su una modellazione numerica della storia di raffreddamento del Duomo Lepontino, Grasemann &amp; Mancktelow (1993) suggeriscono che i tassi di estensione più elevati si sono raggiunti tra i 18 e i 15 Ma (circa 1 km/Ma). L’esumazione del footwall ha poi concentrato progressivamente la deformazione in una zona più ristretta fino a dare luogo alla Linea del Sempione lungo la quale il rigetto totale è stato di circa 12 km (Mancktelow, 1992).
Questo settore della catena alpina negli ultimi vent’anni è stato oggetto di molto studi di termocronologia. Lo strumento più utilizzato è stato senza dubbio l’analisi con le tracce di fissione, soprattutto su apatite, che hanno messo in evidenza come l’esumazione ai livelli più superficiali sia iniziata nel Miocene Inferiore e si sia protratta almeno fino al Pliocene Medio-Superiore. In particolare, le tracce di fissione su apatite danno età che variano da circa 10 Ma per il margine occidentale del Duomo Lepontino fino a meno di 3 Ma per il settore a ridosso della Linea del Sempione (Keller et al., 2006).



Queste età, se confrontate con età ottenute con sistemi geocronologici con temperature di chiusura più elevate, permettono di studiare in dettaglio la storia esumativa del Duomo Lepontino. I massimi tassi di raffreddamento (&gt;60°C/Ma) si sono avuti tra 25 e 20 Ma in prossimità della zona di shear del Sempione mentre tra 20 e 15 Ma le stime sono leggermente inferiori (40-60°C/Ma) e la zona di massima esumazione è centrata al nucleo del Duomo Lepontino (Schlunegger &amp; Willett, 1999). Gran parte del raffreddamento è dovuto ad esumazione tettonica che ha avuto il suo apice tra 22 e 20 Ma (Schlunegger &amp; Willett, 1999). Successivamente, i tassi di esumazione diminuiscono bruscamente fino ad essere inferiori ai 20°C/Ma tra 15 e 10 Ma. Attualmente, il Duomo Lepontino rappresenta uno dei settori della catena dove l’erosione è maggiore, come testimoniato dalle età di tracce di fissione su apatite e dall’analisi dei sedimenti della Pianura Padana (es. Malusà et al., 2005).
Riguardo all’assetto termico, nell’area del tunnel ferroviario del Sempione sono disponibili diverse tipologie di dati. I dati termici regionali sono basati su alcune misure effettuate in pozzi e tunnel e mostrano un flusso di calore di 60-70 mW m ^-2 (Della Vedova &amp; Pellis, 1980; Pasquale &amp; Verdoya, 1990; Cermak et al., 1992; Della Vedova et al., 1995; Della Vedova et al., 2001; Viganò, 2005).



A supporto di queste stime vi sono numerosi dati geofisici e più precisamente:
- i dati sismici crostali dell'European Geotraverse (EGT) (Blundell et al., 1992; Ye et al., 1995), i dati CROP (Scrocca et al., 2003), i dati dello Swiss National Research Program (NRP 20 e NFP 20) (Valasek et al., 1991; Pfiffner et al., 1997);
- i dati sismologici (Pavoni et al., 1997; Solarino et al., 1997) e di tomografia sismica (Lippitsch et al., 2003; Piromallo &amp; Morelli, 2003);
- i dati gravimetrici lungo l'EGT (Cassinis et al., 1997) e lungo il profilo NFP-20 est (Marchant &amp; Stampfli, 1997).
Riguardo i dati ottenuti lungo il tunnel, si ricordano le serie storiche di temperatura raccolte in anni diversi, dalla sua perforazione nel 1905 fino ai giorni nostri (Kaempfen, 1994; Bianchetti et al., 1993). La registrazione dei dati termici durante lo scavo mostra come le temperature aumentavano verso il centro della galleria, fino a raggiungere i 50°C circa, seguendo con buona approssimazione il profilo topografico.



Come visibile in figura, le temperature attuali sono di molto inferiori ma hanno un andamento che segue ancora piuttosto bene il profilo topografico. Molto importanti sono le informazioni idrogeologiche sulle venute idriche nel tunnel (Hunziker et al., 1990; Zuber, 1990; Kaempfen, 1994; Bianchetti et al., 1993). Sorgenti subtermali (da 12 a 20°C) e termali (maggiori di 20°C) sono presenti lungo tutta la galleria. Sorgenti più calde (da 30 a 40°C) si sono riscontrate a circa metà tracciato mentre sorgenti fredde sono la causa del raffreddamento locale delle rocce (vedi al km 15.4 in figura). <<<