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 ROMA "La Sapienza" - IDRAULICA TRASPORTI E STRADE - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antonio CENEDESE

Descrizione

Il programma di Ricerca dell'Unita' del Dipartimento di Idraulica, Trasporti e Strade dell'Università La Sapienza, è finalizzato allo studio quantitativo della dinamica del processo di advezione relazionato al processo di subduzione.
Gli esperimenti di laboratorio hanno come base di partenza l'esperienza ormai acquisita dal Laboratorio di Tettonica Sperimentale del Dipartimento di Scienze Geologiche dell'Università "Roma TRE" nella modellazione dei processi di subduzione (si veda Faccenna et al., [1996, 1999, 2001] e Funiciello et al., [2003, 2004]) con il quale e' in atto una collaborazione continuativa. Si prevede di migliorare l'apparato sperimentale messo a punto da tale unità utilizzando una tecnica di analisi di immagine, Feature Tracking (FT), che permette di misurare continuativamente e quantitativamente il flusso del mantello indotto dal processo di subduzione.
Tali esperimenti prevedono, in particolare, l'utilizzo sciroppo di glucosio, fluido Newtoniano trasparente a viscosità e densità variabili, per simulare il comportamento viscoso del mantello, e pasta di silicone per simulare il comportamento visco-elastico della litosfera in subduzione. In particolare, la pasta di silicone è un composto formato da un substrato di polimeri (polidimethylsiloxane - PDMS) cui è aggiunta polvere di galena per raggiungere le densità richieste in fase di scaling del processo dalla scala di campo a quella di laboratorio. La pasta di silicone può essere considerata un fluido quasi-Newtoniano negli intervalli di deformazione utilizzati [Weijermars, 1986]. La viscosità e la densità di ognuno di questi fluidi possono essere opportunamente calibrate così come può esserlo la geometria 3D del sistema. La disponibilità di un materiale trasparente per simulare il mantello consente l'applicazione delle tecniche di analisi d'immagine. Il fluido in moto oggetto di studio va inseminato con particelle traccianti di densità paragonabile a quella del fluido, così da garantire la passività del loro moto, e altamente riflettenti. Il sistema deve essere illuminato con lampade o laser ad alta potenza lungo un piano (nel caso di applicazione di tecniche che forniscono informazioni 2D) o un volume (per la ricostruzione di informazioni 3D). L'acquisizione delle immagini, successivamente elaborate dall'algoritmo di analisi d'immagine scelto, viene effettuata con due o tre telecamere di tipo CCD ad alta risoluzione spaziale (720x576 pixels) e risoluzione temporale pari a 25 Hz. Tale strumentazione e i sopraindicati materiali sono già disponibili presso il Laboratorio di Meccanica dei Fluidi del Dipartimento di Idraulica, Trasporti e Strade dell'Università di Roma "La Sapienza". Il monitoraggio del flusso di mantello avviene mediante la tecnica di analisi di immagine denominata Feature Tracking (FT) che ricostruisce il campo di velocità selezionando e determinando lo spostamento di punti caratteristici all'interno delle immagini (denominati features) adatti ad essere tracciati perché caratterizzati da una distribuzione della luminosità che rimane pressoché invariata per brevi intervalli di tempo (Shi e Tomasi, 1994). Per calcolare lo spostamento della feature viene introdotta la quantità SSD (Sum of Squared Differences) che rappresenta la somma delle differenze al quadrato tra i valori dell'intensità luminosa di una finestra costruita intorno alla feature e una finestra di analoghe dimensioni rintracciata sull'immagine acquisita al tempo successivo (Lucas e Kanade, 1981; Tomasi e Kanade, 1991). Lo spostamento della feature, dal quale si ottiene il valore del vettore velocità conoscendo la frequenza di acquisizione, risulterà quello che minimizza la SSD suddetta. Quindi, analogamente alla Particle Image Velocimetry (PIV), anche la FT utilizza finestre di interrogazione. La PIV calcola il vettore velocità identificando il picco della matrice di correlazione ottenuta utilizzando i valori dell'intensità luminosa delle finestre d'interrogazione, la FT risolve un problema di minimizzazione. La PIV restituisce il campo di velocità su griglia regolare, dal quale, a meno di validità dell'ipotesi di stazionarietà del fenomeno oggetto di studio, non possono essere ricostruite le traiettorie delle particelle fluide. La FT, invece, fornisce le traiettorie dalle quali si può ricostruire il campo di velocità su grigliato regolare tramite procedura di ricampionamento.
Nel seguente programma di ricerca è previsto lo sviluppo e l'interpretazione di una serie completa di modelli per studiare i moti del mantello indotti dal processo di subduzione in configurazioni differenti.
In particolare saranno realizzati circa 25 modelli (nell'arco dei due anni della ricerca) per:
a) Analisi del moto del mantello indotto da una placca in subduzione per caduta libera di diverse dimensioni laterali con moto sia retrogrado (ovvero in arretramento rispetto al mantello) che progrado.
Totale esperimenti = 6

b) Analisi del moto di un mantello con viscosità variabili indotto da una placca in subduzione per caduta libera di diverse dimensioni laterali con moto retrogrado.
Totale esperimenti = 6

c) Analisi del moto del mantello indotto da una placca confinata da un solo lato in subduzione per caduta libera con moto retrogrado.
Totale esperimenti = 2

d) Analisi del moto del mantello indotto in una finestra in subduzione da placche in subduzione di diverse dimensioni laterali con moto retrogrado prodotto per caduta libera.
Totale esperimenti = 4

e) Esperimenti finalizzati alla ricostruzione del flusso mantellico che caratterizza la subduzione dell'arco calabro.
Totale esperimenti = 5

f) Esperimenti finalizzati alla ricostruzione del flusso mantellico in presenza di convezione termica senza controllo reologico dei materiali utilizzati
Totale esperimenti = 2


In base ai risultati raggiunti nei punti a-d è, infatti, prevista una successiva analisi del flusso mantellico indotto da una placca in subduzione in moto retrogrado prodotto per caduta libera che presenti passaggi laterali di densità (a rappresentare differenti configurazioni palegeografiche oceano-continente) da applicare in modo specifico al caso della subduzione dell'arco calabro.
Il risultato delle simulazioni permetterà di definire in modo quantitativo in funzioni di differenti combinazioni geometriche e reologiche: (a) la quantità di materiale in grado di muoversi da regioni del mantello poste al di sotto e sopra il piano di subduzione producendo un potenziale scambio termico e chimico; (b) le zone di decompressione poste sopra il piano di subduzione.
Stabilito un modello definitivo in grado di spiegare la fisica di base che regola tale processo, si procederà alla lettura di tali risultati in chiave applicativa con lo scopo di studiare in dettaglio il caso subduzione dell'arco calabro.
In particolare, questi dati sperimentali saranno confrontati con dati geochimici forniti dall'unità di Napoli, e con altri dati geofisici, in particolare modelli tomografici e analisi dell'anisotropia del mantello forniti dall'unità di Messina per mettere a punto un modello evolutivo del moto del mantello relazionato al processo di subduzione nella subduzione dell'arco calabro.

Faccenna, C., P. Davy, J.-P. Brun, R. Funiciello, D. Giardini, M. Mattei, and T. Nalpas, The dynamics of back-arc extensions: an experimental approach to the opening of the Tyrrhenian sea, Geophysical Journal International, 126, 781-795, 1996.
Faccenna, C., F. Funiciello, D. Giardini, and P. Lucente, Episodic back-arc extension during restricted mantle convection in the Central Mediterranean, Earth and Planetary Science Letters, 187 (1-2), 105-116, 2001.
Faccenna, C., D. Giardini, P. Davy, and A. Argentieri, Initiation of subduction at Atlantic-type margin: insight from laboratory experiments, Jour. Geoph. Res., 104, 2749-2766, 1999.
Funiciello, F., C. Faccenna, D. Giardini, and K. Regenauer-Lieb, Dynamics of retreating slabs: 2. Insights from three-dimensional laboratory experiments, Journal of Geophysical Research, 108, 10.1029/2001JB000896, 2003.
Funiciello, F, C. Faccenna, and D. Giardini. Role of lateral mantle flow in the evolution of subduction systems: insights from laboratory experiments. Geophysical Journal International, 157, 1393–1406, 2004.
Lucas, B.D. and Kanade T., 1981. An iterative image registration technique with an application to stereo vision. Proceedings of Imaging Understanding Workshop, pp. 121-130.
Shi J. and Tomasi C., 1994. Good features to track. IEEE conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR94), Seattle.
Tomasi, C. and Kanade, T., 1991. Detection and tracking of point features. In Shape and motion from image streams: a factorization method. Carnegie Mellon University Technical Report CMU-CS-91-132.
Weijermars, R., and H. Schmeling, Scaling of newtonian and non newtonian fluid dynamics without inertia for quantitative modelling of rock flow due to gravity (including the concept of rheological similarity), Physics of the Earth and Planetary Interiors, 43, 316-330, 1986.