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 di NAPOLI "Federico II" - SCIENZE DELLA TERRA - NAPOLI(NA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Massimo D'ANTONIO

Descrizione

Scopo di questo programma di ricerca è fornire dei contributi ad alcuni problemi aperti relativi all'origine e al significato geodinamico del magmatismo del Mediterraneo centrale negli ultimi 10 Ma. In particolare, si intende eseguire indagini geochimiche ed isotopiche, volte a migliorare le conoscenze sulla natura delle sorgenti dei magmi e sulla composizione di rocce ignee con diversa affinità. Infine, si intende approfondire le conoscenze delle relazioni tra geodinamica dell'area del Mediterraneo centrale e variazioni spaziali e temporali delle rocce magmatiche di alcune località-chiave, per migliorare il quadro delle conoscenze relative all'evoluzione recente della placca Calabra in subduzione.
Il significato geodinamico del magmatismo del Mediterraneo centrale è stato oggetto di numerosi studi negli ultimi decenni (per es., Ellam et al., 1989; Serri et al., 1993; D'Antonio et al., 1996; Beccaluva et al., 1998; Civetta et al., 1998; D'Antonio et al., 1999; Peccerillo, 1999; Wilson e Bianchini, 1999; Lustrino, 2000; Schiano et al., 2001; Tonarini et al., 2001; Conticelli et al., 2002; Gasperini et al., 2002; Savelli, 2002; Trua et al., 2003; Schiano et al., 2004; Faccenna et al., 2005). Tuttavia, alcuni aspetti risultano ancora poco chiari e meritano ulteriori approfondimenti. Pertanto, le indagini saranno focalizzate su alcune località-chiave, caratterizzate da rocce ignee potenzialmente utili per gli scopi prefissati, ma per le quali i dati sulle caratteristiche geochimiche ed isotopiche sono scarsi.
I problemi aperti che si intende affrontare nell'ambito delle attività del presente programma di ricerca sono: 1) natura del mantello pre-orogenico; 2) natura delle componenti di subduzione del mantello orogenico, con particolare riferimento alle componenti sedimentarie; 3) relazioni tra rocce calc-alcaline e alcalino-sodiche o alcalino-potassiche in alcune località-chiave poco studiate; 4) relazioni tra caratteristiche geochimiche ed isotopiche di rocce ignee delle località-chiave indagate e caratteristiche fisiche della placca Calabra in subduzione, allo scopo di definire dei vincoli per la sua evoluzione geodinamica recente (ultimi 10 Ma). Di seguito saranno descritte le modalità con le quali si intende contribuire alla risoluzione dei problemi aperti sopra elencati.
1) Nell'ambito di questo programma di ricerca si intende indagare la natura del mantello pre-orogenico, astenosferico o litosferico, ossia le sue caratteristiche geochimiche in termini di abbondanza di elementi in tracce incompatibili, di composizione isotopica di Sr, Nd e Pb, e di fertilità, ossia capacità di fornire fusi primari. Una precisa caratterizzazione geochimica ed isotopica del mantello pre-orogenico è alla base della comprensione di come e quanto i processi di subduzione abbiano modificato la composizione originaria del mantello del Mediterraneo centro-occidentale. Diverse ipotesi sono state fatte sulla natura del mantello pre-orogenico, che variano da mantello impoverito tipo MORB, astenosferico, a mantello arricchito tipo OIB, astenosferico profondo, oppure litosferico (per es., Ellam et al., 1989; Beccaluva et al., 1991; Francalanci et al., 1993; Serri et al., 1993; Beccaluva et al., 1998; Civetta et al., 1998; D'Antonio et al., 1999; Peccerillo, 1999; Wilson e Bianchini, 1999; Beccaluva et al., 2002; Gasperini et al., 2002; Serri et al., 2001; Trua et al., 2003).
In Italia, le rocce ignee basiche di sicura origine mantellica, che non presentano alcun carattere geochimico attribuibile a contributi da processi di subduzione, sono: le rocce sub-alcaline tipo T-MORB del Tirreno (vulcano sottomarino Vavilov; Beccaluva et al., 1990; Wilson e Bianchini, 1999; Gasperini et al., 2002); le rocce vulcaniche transizionali del Canale di Sicilia (isole di Pantelleria e Linosa, Banco Graham; Beccaluva et al., 1982; Civetta et al., 1998) e dell'isola di Ustica a nord della Sicilia (Cinque et al., 1988); le rocce sub-alcaline e alcalino-sodiche dei Monti Iblei in Sicilia orientale (Beccaluva et al., 1998) e del Monte Etna (Schiano et al., 2001; Tonarini et al., 2001); le rocce alcaline del distretto vulcanico del Veneto, che include centri vulcanici localizzati in zona di avanpaese, tra cui Berici, Marostica, Lessini, Euganei in nord Italia (Milani et al., 1999), nonché Punta delle Pietre Nere in Puglia (De Fino et al., 1981).
Punta delle Pietre Nere, località sul promontorio del Gargano in Puglia, attirò l'attenzione di alcuni ricercatori negli anni '80, per la presenza di piccoli affioramenti di rocce ignee di composizione alcalino-sodica. In particolare, De Fino et al. (1981) descrissero due corpi ignei che erano osservabili in quegli anni presso la parte terminale del canale D'Acquarotta: un dicco subverticale (o un sill rotato) orientato NNE-SSO, costituito da melasieniti alcaline, in contatto tettonico con calcari neri del Trias Superiore (Bigazzi et al., 1996); l'altro corpo igneo consisteva di piccoli affioramenti di rocce stratificate, costituite principalmente da melagabbri alcalini, con subordinati "tipi porfirici" e ultramafiti. Di questo corpo igneo non si osservava alcun contatto con la roccia incassante, che probabilmente doveva essere costituita da una formazione gessosa/anidritica del Trias Superiore. Bigazzi et al. (1996) datarono con il metodo K-Ar alcuni campioni rappresentativi dei vari litotipi, ottenendo un intervallo di età compreso tra 58 e 62 Ma. L'importanza di tali rocce ignee è data dal fatto che esse sono certamente rappresentative di una sorgente di mantello. Alcuni Autori ipotizzarono che questa sorgente di mantello fosse di tipo "plume", e che potesse rappresentare un possibile "end-member" nei processi di mescolamento a scala globale relativi al magmatismo alcalino dell'Italia (Vollmer e Hawkesworth, 1980 e riferimenti citati; De Fino et al., 1981; Vollmer, 1989). Tuttavia, studi geochimici ed isotopici di dettaglio di queste rocce, e confronti con analoghe rocce alcalino-sodiche di località situate nella stessa posizione strutturale di avanpaese, ossia il distretto vulcanico Veneto e i Monti Iblei, non sono stati ancora eseguiti.
Da alcuni anni, gli affioramenti di rocce ignee di Punta delle Pietre Nere non sono più esposti, in quanto sono stati obliterati da fenomeni di dissesto legati allo sgretolamento delle rocce evaporitiche e all'erosione marina, e da interventi antropici volti ad arginare tali fenomeni. Tuttavia, l'Unità di Ricerca proponente dispone di un'ampia campionatura rappresentativa dei due principali corpi ignei (concessa dal Prof. L. La Volpe, Università degli Studi di Bari). La disponibilità di questa campionatura rappresenta una preziosa opportunità per approfondire le conoscenze su queste rocce, che potranno fornire certamente elementi utili per la caratterizzazione geochimica ed isotopica del mantello pre-orogenico. Pertanto, si propone di eseguire analisi geochimiche complete del contenuto di elementi maggiori ed in tracce, e analisi isotopiche di elementi radiogenici, quali Sr, Nd e Pb.
2) E' ampiamente accettato che la gran parte delle caratteristiche geochimiche ed isotopiche delle rocce calc-alcaline e alcalino-potassiche del Mediterraneo centrale siano da mettere in relazione ai processi di subduzione operanti nell'area (per es., Ellam et al., 1989; Beccaluva et al., 1991; Francalanci et al., 1993; Serri et al., 1993; D'Antonio et al., 1996, 1999; Peccerillo, 1999; Serri et al., 2001; Conticelli et al., 2002; Tonarini et al., 2004). Queste rocce sono infatti caratterizzate da arricchimento in elementi in tracce incompatibili a largo raggio ionico (LILE) e Terre Rare leggere (LREE) rispetto agli elementi in tracce incompatibili ad alta forza di campo (HFSE); inoltre, presentano valori relativamente alti dei rapporti isotopici di Sr, Pb e O, e bassi di Nd. Tuttavia, queste caratteristiche non possono essere attribuite senza ambiguità alle componenti che la regione sorgente di mantello ha acquisito in seguito ai processi di subduzione, o agli effetti di processi evolutivi a sistema aperto che possono essere avvenuti durante il ristagno dei magmi entro la crosta e la risalita verso la superficie, ad es. cristallizzazione frazionata combinata a contaminazione crostale, e mescolamento tra magmi diversi. Ciò perché le rocce vulcaniche affioranti nei vari distretti vulcanici del Mediterraneo centrale sono in gran parte evolute (latiti, trachiti, fonoliti, rioliti). Le poche rocce primitive disponibili (trachibasalti, basaniti, tefriti) non sono in genere rappresentative di fusi primari, e mostrano caratteri geochimici e isotopici globali che sono il risultato finale della natura e dei processi della regione sorgente di mantello, e della storia differenziativa che i magmi hanno subito dal momento della separazione dalla sorgente fino alla loro messa in posto come rocce ignee (per es., D'Antonio et al., 1999; Conticelli et al., 2002).
Il ruolo delle componenti aggiunte alle regioni sorgente di mantello in seguito ai processi di subduzione è uno dei problemi aperti maggiormente dibattuti in letteratura (per es., D'Antonio et al., 1999; Conticelli et al., 2002, e riferimenti citati). Nel caso specifico della placca Calabra in subduzione, ritenuta essere costituita sia da litosfera oceanica (Ionica), sia da litosfera continentale (Africana) assottigliata (per es., Serri et al., 1993), si è ipotizzato che la componente crostale aggiunta al mantello dalla subduzione sia costituita da sedimenti oceanici pelagici/terrigeni, e/o da rocce di crosta continentale affini a quelle di età Ercinica affioranti in Calabria (per es., Ellam et al., 1989; Francalanci et al., 1993; De Astis et al., 1997; D'Antonio et al., 1999; Tonarini et al., 2004).
Per chiarire questo aspetto si propone di eseguire una caratterizzazione geochimica ed isotopica di campioni di rocce rappresentative dei potenziali componenti crostali della placca Calabra, e in particolare:
- Rocce sedimentarie prelevate in perforazione durante la campagna Ocean Drilling Program Leg 160 nel Bacino Ionico (Siti 964, 972 e 973), estendendo eventualmente le indagini ai sedimenti perforati sulla Dorsale Mediterranea (Siti 969, 970 e 971), presumibilmente analoghi ai precedenti per origine e composizione (Robertson et al., 1998). Questi sedimenti hanno età che arrivano fino ad almeno 5.2 Ma (limite Messiniano/Pliocene) e quindi sono potenzialmente analoghi a quelli trasportati in subduzione dalla placca Calabra durante gli ultimi 5 Ma. I risultati delle ricerche del Leg 160 indicano uno scarso contenuto carbonatico dei sedimenti messiniani perforati, e un elevato contenuto di materiale terrigeno.
- Rocce sedimentarie di età Messiniana affioranti in Calabria e/o Sicilia, come analoghi dei sedimenti marini presenti nel Bacino Ionico, qualora quelli perforati non fornissero dati analitici soddisfacenti.
Sui campioni selezionati si eseguiranno analisi geochimiche, con particolare attenzione agli elementi in tracce mobili in fase fluida, e analisi isotopiche di elementi radiogenici caratteristici dei sedimenti marini, quali Sr e Pb.
3) Le relazioni tra rocce calc-alcaline e alcalino-sodiche o alcalino-potassiche saranno indagate in alcune località-chiave poco studiate. In particolare:
- Si intende acquisire campioni delle uniche perforazioni profonde eseguite nella Piana Campana dall'AGIP negli anni ‘70, nelle località Parete e Castelvolturno, ove furono trovate lave andesi-basaltiche e andesitiche di serie calc-alcalina alta in potassio (HK-CA) di età stimata intorno a 1.8 Ma (Beccaluva et al., 1991 e riferimenti citati). Queste lave ad affinità orogenica pre-datano il magmatismo potassico e ultrapotassico dei vulcani Napoletani (isole di Ischia e Procida; Campi Flegrei; Somma-Vesuvio). Il significato di questa transizione potrebbe essere messo in relazione all'apertura settentrionale nella placca Calabra ("slab-window") evidenziata dalle indagini di tomografia delle onde P, che si sarebbe verificata più tardivamente rispetto a quella meridionale, che si è manifestata in una transizione da magmatismo calc-alcalino orogenico a magmatismo alcalino-sodico anorogenico (Faccenna et al., 2005 e riferimenti citati). Le rocce calc-alcaline della Piana Campana saranno, dunque, oggetto di dettagliate analisi geochimiche del contenuto di elementi maggiori ed in tracce, e analisi isotopiche di elementi radiogenici, quali Sr, Nd e Pb, mai eseguite finora.
- Si intende effettuare una campagna di campionatura dei centri vulcanici di Nefza, Galite e Mogod nel Tell Tunisino, ove sono state segnalate rocce calc-alcaline riolitiche e dacitiche ad affinità orogenica (14-8.2 Ma), seguite da basalti alcalini ad affinità intraplacca (7.4-5.2 Ma; Savelli, 2002 e riferimenti citati). Su tali centri le conoscenze sono molto limitate, e poiché in queste zone si è verificata l'iniziale separazione della placca Calabra da quella Africana (il Tell; Faccenna et al., 2005 e riferimenti citati), è fondamentale chiarire la manifestazione magmatologica di tale separazione, ossia la transizione da magmatismo calc-alcalino orogenico a magmatismo alcalino-sodico anorogenico. Si propone, quindi, di prelevare campioni rappresentativi dei vari litotipi presenti in queste località-chiave, con particolare attenzione a selezionare quelli più primitivi, allo scopo di caratterizzare le regioni sorgente, attraverso analisi geochimiche di elementi maggiori ed in tracce, ed analisi isotopiche di Sr, Nd e Pb.
4) I dati acquisiti sui campioni di rocce ignee e sedimentarie saranno integrati con i dati di geologia strutturale e di geofisica ottenuti dalle altre Unità di Ricerca del Progetto, allo scopo di mettere in luce le relazioni tra le caratteristiche geochimiche ed isotopiche delle rocce ignee delle località-chiave indagate e le caratteristiche fisiche della placca Calabra in subduzione. Saranno rivisti i diversi modelli proposti di circolazione del mantello e apertura di "slab windows", allo scopo di definire dei vincoli per ricostruire l' evoluzione geodinamica recente (ultimi 10 Ma) della placca Calabra.
Le indagini del programma di ricerca proposto saranno eseguite secondo lo schema seguente:
I anno:
- Acquisizione di campioni di lave calc-alcaline alte in potassio dei pozzi AGIP eseguiti nella Piana Campana
- Acquisizione di campioni di sedimenti del Bacino Ionico e della Dorsale Mediterranea, tramite richiesta all'Ocean Drilling Program oppure, in alternativa, campionatura di rocce sedimentarie Messiniane in località-tipo in Sicilia e Calabria
- Pianificazione ed esecuzione della campagna di campionatura di rocce calc-alcaline e alcalino-sodiche del Tell Tunisino
- Esecuzione di analisi petrografiche, geochimiche e isotopiche sui campioni, già disponibili, di rocce alcalino-sodiche di Punta delle Pietre Nere, e sui campioni acquisiti della Piana Campana e dei sedimenti Messiniani. In particolare, le concentrazioni degli elementi maggiori saranno misurate con tecniche ICP-AES, quelle degli elementi in tracce con tecniche ICP-MS. Le analisi isotopiche (Sr, Nd, Pb) saranno eseguite con uno spettrometro di massa multicollettore a termoionizzazione Triton TI della ThermoFinnigan, disponibile presso l'Osservatorio Vesuviano (O.V.-I.N.G.V., Napoli).
II anno:
- Completamento delle analisi petrografiche, geochimiche e isotopiche, estendendole ai campioni del Tell Tunisino
- Confronti tra i dati analitici acquisiti e quelli disponibili in letteratura per rocce analoghe; esecuzione di modellazioni petrologiche finalizzate alla caratterizzazione qualitativa e quantitativa delle componenti di mantello e di subduzione per le località-chiave indagate
- Integrazione dei dati geochimici ed isotopici con i dati geologico-strutturali e geofisici, finalizzata alla ricostruzione dell'evoluzione geodinamica della placca Calabra negli ultimi 10 Ma.
I risultati delle indagini eseguite saranno presentati a Congressi italiani e internazionali, e pubblicati su riviste a diffusione internazionale.