RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi ROMA TRE - SCIENZE GEOLOGICHE - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Claudio FACCENNA

Descrizione

I compiti dell'unità di ricerca Roma TRE sono riassunti nei punti seguenti.

VINCOLI GEOLOGICI
Il primo aspetto del programma di ricerca dell'Unità prevede lo studio di due processi chiave della subduzione: a) il processo di sollevamento; b) il processo di accrezione.
Di seguito sono riassunte le fasi principali di ciascuna di queste indagini. Tali dati saranno integrati con i numerosi studi esistenti per formulare un completo modello evolutivo dell'area calabra.

a) La ricostruzione del processo di sollevamento sarà svolta con metodi geomorfologici, supportati da indagini di laboratorio, lungo due sezioni attraverso 1) Catena Costiera e Sila; 2) Capo Vaticano e Le Serre.
In particolare saranno presi in esame:
- l'altimetria delle superfici sommitali, che verosimilmente rappresentano i resti di un antico paesaggio sviluppatosi prima del sollevamento;
- l'altimetria dei terrazzi alluvionali e marini generati dall'interazione tra sollevamento regionale, variazioni climatiche e oscillazioni eustatiche;
- l'evoluzione dei profili longitudinali dei corsi d'acqua.

Le superfici sommitali e i terrazzi saranno studiati mediante foto-interpretazione e rilevamento di terreno volto alla definizione dei caratteri pedologici, sedimentologici e biostratigrafici utili per una corretta interpretazione morfogenetica e morfocronologica. Nel corso del rilevamento sul terreno verranno anche individuati, ove riconoscibili, gli elementi diagnostici di linee di riva sollevate.
Gli andamenti dei profili longitudinali dei corsi d'acqua saranno analizzati, oltre che sul terreno e in foto aerea, anche con DEM disponibili (Regione Calabria, IGM) o appositamente prodotti da foto aeree tramite il software RFD Evolution (Laboratorio di Geomorfologia di Roma Tre).
Per la datazione dei depositi terrazzati, saranno impiegati, ove possibile e a seconda dei casi, i metodi del 14C, della serie dell'U/Th (presso il Laboratorio di Radiogeochimica Università Roma TRE), e della termoluminescenza, integrando i dati ottenuti principalmente sul versante tirrenico meridionale da altri Autori. In aggiunta ai precedenti metodi si intende applicare allo studio cronologico delle sezioni il metodo dei nuclidi cosmogenici in collaborazione con D.E. Granger (Purdue University, USA). Tale metodo è in grado di ottenere l'età di esposizione, ed eventualmente i tassi d'erosione, di livelli alteritici su superfici più recenti di 10-15 Ma (Barg et al., 1997; Stanford et al., 2000; Clap et al., 2001) ed è quindi particolarmente promettente per la datazione delle superfici sommitali. Inoltre, la datazione di depositi fluviali tramite i nuclidi cosmogenici può essere utilizzata per determinare i tassi d'erosione in risposta alle deformazioni tettoniche (Granger & Muzikar, 2001). Questa analisi, associata allo studio del reticolo idrografico e dei profili longitudinali dei fiumi, può fornire importanti indicazioni sulle variazioni spazio-temporali del sollevamento indotte da deformazioni tettoniche locali.
Un ulteriore metodo che si intende utilizzare per la valutazione dei tassi di sollevamento è quello delle tracce di fissione (Wagner, 1968; Naeser, 1976). Esso fornisce indicazioni sulla storia termica delle rocce definendo il momento in cui queste si raffreddano al di sotto di una data temperature per effetto del denudamento superficiale, così da consentire valutazioni sui tempi di esumazione e sulle quantità di copertura rimossa. Le analisi verranno svolte in collaborazione con l'Istituto di Geoscienze e Georisorse del CNR (Pisa).
Sulla base dei dati raccolti saranno elaborati modelli morfottettonici delle sezioni che evidenzieranno le modalità e i tempi del processo di sollevamento.

Le attività di ricerca si svolgeranno in due fasi:
FASE 1 (primo anno di attività)
Analisi geomorfologica delle due sezioni ed elaborazione di mappe georeferenziate delle superfici. Analisi geomorfologica e topografica dei profili longitudinali dei fiumi. Raccolta di campioni e prime datazioni.
FASE 2 (secondo anno di attività)
Completamento delle indagini di terreno e delle datazioni. Elaborazione dei modelli morfotettonici e loro verifica in laboratorio.

b) La definizione delle geometrie, età e stile di accrezione del prisma calabro nell'area ionica può esser analizzata mediante (1) l' interpretazione dei profili sismici a riflessione acquisiti nel corso dell'ultimo trentennio e (2) l' acquisizione di nuovi profili sismici ad alta risoluzione.

(1) L'Unità Roma TRE nel corso dell'ultimo anno ha acquisito pressoché l'intero set di profili, pubblici e non, sia nella area del prisma calabro che nella piana abissale ionica, ovvero in un area compresa tra il bordo meridionale della piattaforma apula sino al margine libico, tra la la scarpata ibleo maltese e la Grecia (vedi Fig. 2). Queste includono per la zona del prisma la sismica acquista da AGIP (F zone) e le linee della campagna CA registrata da WaveTech Geophysical in 1998, sino alla piana abissale ionica, le campagne MS (OGS Triestre), le linee pubblicate ION e E (Cenobori et al., 1996), Mesc del CNR Bologna (Argnani et al., 2004), le linee PMP-PrismMed (IFREMER Brest), le linee CROP, ARCHIMEDE 1997 (ENS, Paris), le Imerse e le vecchie campagne acquisite dall'IFP (Maria 1-3, Nicole 1, Olivia 1, Ody 2 lines, Ody 4 e 5).

(2) La partecipazione dell'istituto IAMC-CNR (Napoli) nell'unita' di ricerca permetterà l'acquisizione di profili sismici a riflessione monocanale di alta ed altissima risoluzione in aree strategicamente risolutive per gli studi di tettonica recente, lungo il margine calabro tra cui lo Stretto di Messina e l'area ionica (e.g. Capo Spartivento). Questi studi permetteranno di definire l'assetto stratigrafico-strutturale della sequenza tardo Quaternaria in queste due aree legate a deformazione tettonica attiva e recente. Per l'acquisizione sismica sarà possibile utilizzare tempo nave (circa 7 giorni) a disposizione di quest'unità per l'anno 2006 a bordo della N/O Explora e/o N/O Urania lungo una griglia della lunghezza totale di circa 700 miglia marine (MM) mediante sistemi monocanale subbottom a modulazione di frequenza, di tipo CHIRP, sistemi uniboom e sorgenti sparker 1.5-4 kJ.

I risultati attesi dall'insieme di (1) e (2) sono i seguenti:
- Studio stratigrafico sequenziale della sequenza deposizionale tardo quaternaria in due zone chiave del margine calabro (2).
- Riconoscimento e rappresentazione cartografica di alcuni elementi tettonici attivi possibilmente sismogenetici (2);
- definizione delle geometrie deformative del prisma d'accrezione calabro e del processo di flessurazione (1);
- definizione dell'età, stile e geometrie dei bacini di piggy back (1, 2);
- definizione dell'età e stile di deformazione nella piana ionica al di fuori del prisma (1);
- definizione dello stile di crescita del prisma calabro (1);
- restaurazione nello spazio e nel tempo del processo di deformazione/accrezione (1).

FASE 1 (primo anno di attività)
- Acquisizione di dati sismo-stratigrafici (primavera-estate 2006). Le indagini prevedono acquisizione ad altissima risoluzione (tipo sub-bottom CHIRP con un sistema installato a carena (N/O Urania) oppure su un "tow fish" a traino (N/O Explora). Per le indagini di alta risoluzione dei primi metri di sottofondo si utilizzeranno frequenze sorgenti variabili fra 2 e 16), alta risoluzione con sistema monocanale tipo "uniboom" (risoluzione di questo tipo di sorgente può raggiungere valori dell'ordine dei 1-2 m, e la penetrazione dell'ordine della decina di metri) e alta risoluzione con sistema monocanale tipo "sparker"(1.5-4kJ) (potere risolutivo di questo tipo di sorgente sparker è dell'ordine di 2-6 m, mentre la penetrazione del segnale può variare da qualche decina a 2-3 centinaia di metri).
- Costruzione archivio dati sisimici e log di pozzi. I log dei pozzi disponibili sono reperiti schedati e geoferenziati.
- Elaborazione mappe di posizionamento georeferenziate.
- Interpretazione dati: Attribuzione geologica dei riflettori individuati, Tracciamento dei principali orizzonti sismici.

FASE 2 (secondo anno di attività)
-I profili sismici acquisiti con i diversi tipi di sorgenti saranno integrati per ottenere immagini sismoacustiche della sequenza tardo-Quaternaria a varie scale. L'interpretazione dei dati sarà effettuata seguendo i criteri e le metodologie della moderna analisi stratigrafico sequenziale. La rappresentazione cartografica degli elementi strutturali riconosciuti e/o di superfici stratigrafiche notevoli sarà effettuata su base cartografica georeferenziata.
- Cartografia e preparazione mappe isocrone ed isopache in tempi tra orizzonti tracciati. Orizzonti verranno introdotti in ambiente GIS per ottenere una visione tridemisionale delle strutture.
- Profili accuratamente scelti verranno poi retrodeformati nel tempo per poter quantificare l'entità di raccorciamento e lo stile di accrezione. Questi dati permetteranno di dare indicazioni utili sullo stile di crescita del prisma e sulla profondità dello scollamento.

I dati raccolti in (a) e (b) saranno correlati con altre fonti di dati, tra cui ricordiamo i dati paleomagnetici riguardanti la formazione dell'arco calabro (Speranza et al., 1999; Cifelli et al., 2004), l'analisi dei processi di sviluppo ed evoluzione dei bacini estensionali interni (per esempio bacino di Amantea) e esterni (bacino di Crotone), l'analisi strutturale in terreni neogenici e gli studi paleosismologici e strutturali riguardanti la tettonica attiva (Tortorici et al., 1995; Galli e Bosi, 2002, 2003), i dati geodetici (Hollenstein et al., 2003; D'Agostino e Selvaggi, 2004). Saranno selezionate dunque 2 sezioni indicative attraverso la Calabria a decorso WNW-ESE. La prima attraversa la catena Costiera-Sila, Bacino di Crotone, prisma di accrezione piana batiale ionica. La seconda attraversa Le Serre il prisma di accrezione e piana batiale ionica. E' prevista la possibilità di effettuare una terza sezione lungo il margine siciliano dei Monti Peloritani. Questi profili geologici verranno retrodeformati durante il corso degli ultimi 8-10 Ma al fine di avere un quadro quanto più completo dell'evoluzione dell'intero processo deformativo.

MODELLAZIONE
Negli ultimi anni, il Laboratorio di Tettonica Sperimentale dell'Università "Roma Tre" ha progredito in modo rilevante nelle ricerche nel campo della modellazione della subduzione (si veda Faccenna et al., 1996, 1999; Funiciello et al., 2003, 2004; Bellahsen et al., 2005). All'oggi, tuttavia, tali modelli sono realizzati in condizioni isoterme senza opportunamente scalare la complessa reologia dipendente dalla temperatura della Terra. Nell'ambito del presente progetto, intendiamo utilizzare le conoscenze e le competenze sviluppate nel Laboratorio per sviluppare modelli termomeccanici a scala litosferica in grado di simulare la stratificazione termica della Terra. Questi modelli permetteranno di analizzare il ruolo svolto dai diversi parametri fisici nell'ambito del processo di subduzione, con particolare riferimento alla subduzione calabra.
La tecnica modellistica proposta è del tutto innovativa. Messa a punto presso il Laboratorio di Tettonica Sperimentale dell'Università "Roma Tre" per lo studio dei soli processi crostali (Rossetti et al. 2000, 2002; Costa, 2005), sfrutta variazioni di temperatura di pochi gradi all'interno di un materiale termicamente sensibile, per simulare correttamente stratificazioni reologiche complesse. La potenzialità di realizzare correttamente la transizione tra comportamenti reologici utilizzando un unico materiale permette di superare i limiti d'altre tecniche di modellazione analogica attualmente in uso, dove la transizione tra i diversi comportamenti reologici viene modellata esclusivamente con l'uso di materiali differenti. Questo apparato termomeccanico rappresenta, dunque, un'efficace innovazione rispetto agli apparati in precedenza usati, in gravità naturale o in centrifuga.
L'apparato termo-meccanico disponibile presso il Laboratorio di Tettonica Sperimentale dell'Università "Roma Tre" é stato progettato per ottenere all'interno di un modello un gradiente termico prescelto. L'accuratezza del regime termico è assicurata dal fatto che l'apparecchiatura è posta all'interno di una stanza termicamente isolata e che all'interno del modello sussiste un preciso controllo della temperatura realizzato da un sistema di termocoppie connesse con un computer. Il prototipo dell'apparato costruito é descritto in modo dettagliato in Rossetti et al. (2001) e Costa (2005). Il programma svolto nell'ambito di questo progetto di ricerca si articolerà in 2 fasi che saranno svolte presso il Laboratorio di Tettonica Sperimentale dell'Università "Roma TRE" da ricercatori già esperti nel campo della modellazione:

FASE 1 (primo anno di attività)
Selezione e calibrazione di nuovi materiali con proprietà reologiche opportunamente scalate con la litosfera e il mantello terrestre. Tale fase sarà svolta in collaborazione con il Dipartimento di Scienze dei Materiali (ETH, Zurigo) con cui è in atto una duratura collaborazione. La selezione si orienterà verso materiali con caratteristiche reologiche dipendenti dalla temperatura fondamentali per la definizione dei meccanismi d'erosione e indebolimento del processo di subduzione stesso. Per la litosfera sarà selezionato un materiale con caratteristiche visco-elastiche che possa simulare gli aspetti di flessurazione, sollevamento della placca superiore. In particolare, una volta individuate le proprietà meccaniche e termiche che il nostro materiale dovrebbe avere per scalare opportunamente la stratificazione reologica tra litosfera e mantello, si procederà ad una ricerca bibliografica preliminare per circoscrivere il campo delle possibili scelte e, in seguito, si effettueranno misure per diverse rampe di temperatura utilizzando reometri cono-piatto o piatto-piatto.

FASE 2 (secondo anno di attività)
Realizzazione di modelli sperimentali.
L'apparato termomeccanico usato congiuntamente al materiale selezionato nella Fase 1 permetterà la realizzazione di modelli 3D di subduzione dinamicamente consistenti, caratterizzati da reologie complesse opportunamente scalate con la temperatura.
In particolare, in questo programma di ricerca, si prevede di eseguire circa 40 modelli per analizzare:
a) Caratterizzazione cinematica/dinamica del processo di subduzione durante il moto dello slab nel mantello superiore/inferiore (10 esperimenti);
b) Definizione 3-D del pattern di circolazione mantellica indotta dalla subduzione (in collaborazione con l'unita' La Sapienza; vedi modulo B relativo per dettagli tecnici) (10 esperimenti);
c) Definizione topografia dinamica attiva durante il processo di subduzione (10 esperimenti). L'acquisizione digitale dei dati può essere compiuta attraverso il laser a scansione tridimensionale recentemente acquisito dal laboratorio, dotato di un potere risolutivo di circa 40 micron. Questa tecnologia rende dunque possibili registrazioni dei cambiamenti topografici dell'ordine di un centinaio di metri qualora si imponga un rapporto dell'ordine di 10e-6 fra la scala del modello e quella reale.
d) Comportamento dello slab alla transizione mantello superiore/inferiore variando opportunamente il contrasto di viscosità/densità che caratterizza la discontinuità a 660 km (10 esperimenti).
I risultati di questa fase di modellazione permetteranno, dunque, di testare e, successivamente, proporre un modello geodinamico della subduzione calabra coordinando i dati geologici/geomorfologici, geochimici e sismologici delle unità di Roma Tre, Napoli e Messina.