RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Studi di base sull'interazione tra clima, tettonica e morfoevoluzione in Italia meridionale durante il Quaternario

Università di riferimento

Università degli Studi della BASILICATA - SCIENZE GEOLOGICHE - POTENZA(PZ)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Marcello SCHIATTARELLA

Descrizione

Nella ricostruzione della storia morfoevolutiva dell'Appennino meridionale, le relazioni tra sollevamento tettonico, smantellamento erosivo del rilievo e contesto morfoclimatico risultano ancora assai poco conosciute. L'unità di ricerca si propone di affrontare lo studio dei tassi di sollevamento e/o erosione nella zona assiale della catena sudappenninica mediante indagini integrate di tipo geomorfologico e mineralogico-geochimico, e di confrontare tali dati con i tassi di sedimentazione di bacini quaternari dedotti da studi stratigrafici di dettaglio e con le informazioni paleoclimatiche ottenute dall'analisi dei profili di alterazione e della distribuzione dei minerali argillosi nei sedimenti pelitici continentali e nei paleosuoli (Yuretich et al., 1999). Si otterranno in tal modo risultati di base per alcune aree-chiave dell'Appennino campano-lucano, per esempio sulle condizioni climatiche di un bacino intermontano durante il Pleistocene superiore, al fine della taratura ed "esportabilità" di dati ottenuti con procedure ormai consolidate (analisi geomorfica quantitativa) sui tassi di erosione all'interno di un determinato sistema morfoclimatico e per intervalli temporali sufficientemente vincolati.
La possibilità di utilizzare i minerali argillosi per ottenere informazioni sul contesto climatico, sia nel passato che in periodi relativamente recenti, risiede nel fatto che la loro distribuzione nei sedimenti è fortemente connessa con la zonazione pedogenica e climatica (Chamley, 1998). Le reazioni di weathering che portano alla formazione dei minerali argillosi sono considerate infatti sensibili (non cineticamente lente) alle condizioni paleoclimatiche. I minerali argillosi forniscono inoltre informazioni sulla paleomorfologia delle superfici esposte all'alterazione poiché le pendenze locali condizionano il drenaggio ed influenzano la velocità delle reazioni di alterazione.
Un quadro più completo sulla genesi ed evoluzione del paesaggio in aree attive si può ottenere grazie allo studio del sollevamento neogenico-quaternario e delle modalità di esumazione (cfr. p.es. Stuwe & Barr, 1998; Mancktelow, 2000) dei nuclei antichi delle catene orogeniche, attraverso stime congiunte dei tassi di uplift ed erosione dal lungo al breve termine (England & Molnar, 1990; Willett & Brandon, 2002) e dei carichi tettonico/sedimentari sopportati dalle rocce che costituiscono il nucleo dell'orogene (Schiattarella et al., 2003; Aldega et al., 2003).
Le conoscenze sul ruolo esercitato dalla tettonica plio-quaternaria trascorrente ed estensionale in Appennino meridionale (Schiattarella, 1998, cum bibl.) rappresentano l'elemento di partenza per la comprensione dell'evoluzione morfostrutturale e tettono-sedimentaria dei bacini intermontani ubicati lungo la zona assiale della catena. Tali aree si sono rivelate preziose fonti di informazione, sia per la presenza di depositi continentali coinvolti nella deformazione recente che per l'esistenza di morfologie correlate attive o fossili. Nell'ambito del progetto sarà pertanto analizzata, tramite l'applicazione integrata di metodi di indagine classici ed innovativi, l'area su cui insistono i principali bacini intermontani rappresentativi di tutte le tipologie vallive di origine tettonica. Saranno dunque oggetto di studio le seguenti depressioni tettoniche e le aree montane limitrofe disposte lungo la zona assiale dell'Appennino campano-lucano:
1) il bacino di Auletta, una depressione tettonica riempita da depositi clastici di età plio-pleistocenica e depositi travertinosi del Pleistocene medio (Ascione et al., 1992), compresa tra la dorsale carbonatica dei Monti Alburni e il gruppo del Monte Marzano;
2) il bacino del Pergola-Melandro, delimitato dalla dorsale carbonatica dei Monti della Maddalena ad ovest e dalle unità pelagiche lagonegresi ad est e colmato da un riempimento clastico infrapleistocenico (Santangelo, 1991) costituito prevalentemente da conglomerati poligenici, legati a più cicli deposizionali, fortemente sollevati e terrazzati (Giano & Martino, 2003); l'evoluzione tettonica del bacino è stata guidata dalle faglie perimetrali orientate in direzione appenninica e faglie trasversali al bacino, attive fin dal Pleistocene inferiore (Ortolani et al., 1992);
3) l'alta Val d'Agri racchiusa tra la dorsale dei Monti della Maddalena e il gruppo montuoso del Sirino-Volturino e colmata da depositi alluvionali di età pleistocenica (Di Niro et al., 1992; Giano et al., 2000; Boenzi et al., 2004);
4) il bacino di Sanza, delimitato a nord dal M. Cervati e a sud dai rilievi dei Monti Forcella e Centaurino, colmato da una successione pelitica che si interdigita a depositi clastici a testimonianza di un ambiente deposizionale fluvio-lacustre; i depositi del ciclo sedimentario infrapleistocenico sono interessati da sistemi di fratture correlabili a strutture tettoniche orientate all'incirca E-O e responsabili della genesi del bacino;
5) il bacino del Mercure, limitato dai rilievi carbonatici dei Monti di Lauria e della dorsale del Pollino e colmato da sedimenti fluvio-lacustri mediopleistocenici (Schiattarella et al., 1994);
6) il bacino di Calvello (Amato & Cinque, 1992), ubicato poco a sud di Potenza e costituito da una successione clastica di età plio-pleistocenica (Amore et al., 1996), deformato e vistosamente sollevato; lo studio dei processi sedimentari della parte alta della successione e dei meccanismi di inversione del rilievo permetterà di comprendere la dinamica evolutiva dell'area, oltre alla definizione quantitativa dei tassi di erosione, sedimentazione e sollevamento; la contestualizzazione geodinamica del bacino, che rappresenta un laboratorio naturale per l'integrazione di indagini stratigrafiche, sedimentologiche e geomorfologiche, sembra peraltro offrire alcuni spunti innovativi in termini di classificazione dei bacini sedimentari.
Saranno anche studiati settori della porzione frontale dell'Appennino lucano, dove affiorano successioni plio-quaternarie che hanno registrato importanti variazioni della dinamica dell'orogene.
I valori medi dei tassi di sollevamento della catena sudappenninica sono stimati intorno a 1 mm/a (Westaway, 1993; Amato, 2000), mentre in Appennino lucano (Schiattarella et al., 2003) i tassi di sollevamento variano da 0.2 mm/a per l'area dei piccoli bacini intermontani di Tito-Pignola a 0.6 mm/a del Pergola-Melandro, fino a oltre 1 mm/a per l'alta Val d'Agri (Boenzi et al., 2004). Le stime dei carichi tettonici relativi alle successioni lagonegresi, ottenute attraverso la definizione della cristallinità dell'illite, della stima della percentuale di strati illitici nell'interstatificato I/S e delle percentuali di abbondanza del politipo 2M1 della illite/muscovite, forniscono entità di seppellimento nell'ordine dei 4-5 km (Schiattarella et al., 2003). Durante gli ultimi 2 Ma il sollevamento totale del settore assiale dell'Appennino lucano ammonta a circa 1.2-1.3 km: la discrepanza tra l'entità del sollevamento plio-quaternario ed i valori dei carichi tettonici è pertanto spiegabile solo con differenti modalità di esumazione a partire dal Miocene superiore (Schiattarella et al., 2003, 2005).
Sebbene alcuni aspetti morfostrutturali delle aree in oggetto siano sufficientemente noti (Amato & Cinque, 1999, cum bibl.), uno dei principali obiettivi del progetto è quello di colmare la lacuna conoscitiva sulle stime dei tassi di sollevamento e di erosione attraverso calcoli quantitativi applicati ai bacini idrografici sopra elencati, indirizzati anche alla comprensione del contesto climatico in cui si svilupparono tali processi. Il confronto tra i dati relativi ai tassi di sollevamento ed erosione e quelli sulla storia termica - ottenuti attraverso diversi geotermometri (vedi oltre) – permetterà, inoltre, di individuare i più probabili meccanismi responsabili del sollevamento regionale della zona assiale dell'orogene e di definirne la storia evolutiva con una migliore scansione temporale. Lo studio stratigrafico dettagliato di alcune sezioni e dei processi sedimentari responsabili della storia deposizionale quaternaria delle aree di studio consentirà infine di calcolare anche i tassi di sedimentazione (utili per il confronto con quelli di erosione, a verifica dei risultati ottenuti con altri approcci) e di definire la dinamica evolutiva dei bacini e dell'intera catena.
In una prima fase del progetto l'unità di ricerca si propone di analizzare gli aspetti morfostrutturali relativi ad un areale più ampio rispetto alle singole depressioni tettoniche e che comprenda anche i rilievi circostanti. Attraverso l'integrazione di tecniche classiche di analisi geomorfologica (fotointerpretazione, cartografia, ecc.) con metodologie più avanzate, basate sull'elaborazione di immagini da satellite per mezzo di software dedicati, si cercherà di ottenere - anche in collaborazione con l'unità di ricerca dell'Università di Bari - una rappresentazione 2D (profili morfometrici) e 3D (DEM) degli elementi del paesaggio. Le illustrazioni bidimensionali e tridimensionali permetteranno di riconoscere i marker morfologici e morfotettonici (ad es. superfici di erosione relitte, glacis d'erosione sospesi sul fondovalle, anomalie del reticolo idrografico, versanti di faglia, ecc.) utili a quantificare ed a scandire le tappe morfoevolutive ed i tassi di sollevamento locale e regionale dei settori investigati. Utilizzando le medesime tecniche di indagine saranno effettuati studi di geomorfologia quantitativa sui bacini idrografici che sottendono alle aree di studio (ad es. rapporto di biforcazione, densità di drenaggio, deflusso torbido unitario, ecc.) per valutare l'entità e la velocità dei processi di erosione.
Ai fini di un aggiornamento delle età delle successioni sedimentarie e di una migliore definizione dell'attività tettonica recente, per ottenere stime quantitative più precise sui valori dei tassi di sollevamento e di erosione, si provvederà alla datazione di sedimenti clastici coinvolti nella deformazione fragile e di marker stratigrafici (paleosuoli e/o livelli vulcanoclastici) e morfotettonici (superfici di spianamento, versanti a profilo rettilineo-convesso). Tra le tecniche di datazione assoluta, saranno tenuti in particolare considerazione i metodi di datazione cosmogenica (Zreda & Phillips, 1995), soprattutto ai fini di una taratura della tecnica, ancora in ambito sperimentale, e grazie a collaborazioni già attivate con enti di ricerca stranieri.
Gli aspetti paleoclimatici saranno studiati – oltre che sulla base di LEMs e più in generale di tecniche di forward modelling (vedi Unità di Bari) - attraverso la distribuzione dei minerali argillosi in sedimenti pelitici, in paleosuoli e negli orizzonti di alterazione che si sono sviluppati su superfici deposizionali ed erosionali di età diversa. I profili di distribuzione dei minerali argillosi e degli elementi maggiori, in traccia e delle terre rare forniranno informazioni sul contesto climatico che saranno confrontate con quelle derivanti dalle osservazioni morfostratigrafiche e morfostrutturali. In particolare l'analisi mineralogica qualitativa e semiquantitativa verrà effettuata mediante diffrazione a raggi X attraverso l'ausilio dei software SIROQUANT e LINKFIT e mediante analisi termo-gravimetrica e l'uso del SEM (Scanning Electron Microscopy). Le analisi chimiche saranno condotte mediante fluorescenza a raggi X (FRX; elementi maggiori ed in traccia) ed attivazione neutronica (NA; elementi delle terre rare).
Il gruppo di ricerca si occuperà, inoltre, della stima dei carichi tettonico/sedimentari sopportati dalle successioni pelagiche meso-cenozoiche che attualmente affiorano nell'area di studio. La stima delle temperature massime sperimentate dalle successioni selezionate sarà ottenuta attraverso lo studio delle associazioni mineralogiche presenti nei livelli pelitici intercalati in tali successioni e l'uso di diversi geotermometri basati sui minerali argillosi (Di Leo, 2001, 2003). In particolare verrà monitorata l'evoluzione delle reazioni smectite -> strati misti illite/smectite (I/S) -> illite -> muscovite e smectite->strati misti clorite/smectite (C/S)->clorite attraverso la stima della percentuale di illite nell'interstratificato I/S, degli indici di cristallinità dei minerali argillosi, calibrati con la scala CIS (Crystalinity Index Standard scale; Warr e Rice, 1994) e dello spessore dei cristalliti (Coherent Scattering Domain size, CSD size) e dello strain dell'illite e I/S, nonché di altri minerali argillosi sempre mediante diffrattometria a Raggi X e computer modelling (software NEWMOD, MudMaster).
Al fine di discriminare tra il contributo deposizionale e quello diagenetico sarà necessario effettuare analisi chimico-isotopiche (elementi maggiori, in traccia e delle terre rare; rapporti isotopici K/Ar e Rb/Sr) dei sedimenti selezionati per la stima delle paleotemperature attraverso l'uso dei geotermometri basati sui minerali argillosi.
La ricostruzione della storia termica e del grado di seppellimento verrà ottenuta integrando i dati relativi ai geotermometri basati sui minerali argillosi con quelli derivanti dalla definizione del Conodont Alteration Index (CAI) e dall'utilizzo della tracce di fissione su apatite. Quest'ultima metodologia potrà essere utilizzata anche per la definizione dell'età del raffreddamento e dei tassi di esumazione.
La collaborazione con le unità di ricerca delle università di Bari e di Firenze sarà focalizzata sulle aree maggiormente adatte alla modellazione numerica. L'unità di ricerca lucana concentrerà l'attività di terreno e le analisi di laboratorio nei bacini di Auletta, del Pergola-Melandro, di Sanza e di Calvello. In tali bacini sarà realizzata un'analisi morfostrutturale e morfometrica delle principali forme erosionali e/o deposizionali congiuntamente allo studio geochimico-isotopico e mineralogico degli orizzonti di alterazione, degli intervalli argillosi e dei paleosuoli per la contestualizzazione morfoclimatica.
Nella seconda fase l'unità operativa si propone di calcolare con l'ausilio dei marker morfologici riconosciuti e/o geologici di età nota, i valori dei tassi di sollevamento regionale e locale realizzando profili morfometrici seriati corredati degli aspetti strutturali di maggiore rilievo. I dati ottenuti consentiranno un confronto immediato tra i settori caratterizzati da maggiori velocità di sollevamento rispetto ad altri nel corso del Quaternario. Sulle faglie caratterizzate da una buona espressione morfologica e di cui sia nota la loro attività recente saranno calcolati i tassi di attività sul medio e lungo termine - e cioè per intervalli temporali dell'ordine delle centinaia di migliaia di anni - ottenendo in tal modo l'aliquota di sollevamento imputabile all'attività delle stesse rispetto a quello dell'intera catena (Schiattarella et al., 2003). Saranno confrontati i rigetti morfologici e stratigrafici per discriminare l'aliquota di sollevamento recente da quella precedente l'inizio della tettonica estensionale al fine di ricostruire le morfologie preesistenti rispetto alla genesi delle depressioni tettoniche. Saranno inoltre confrontati i tassi di uplift con le velocità di erosione, calcolate anche con l'ausilio dell'analisi quantitativa, per la determinazione del trend evolutivo dell'orogene e della morfogenesi in relazione alle interazioni tra tettonica e clima.
L'unità di ricerca si pone pertanto l'obbiettivo di riconoscere: i) i differenti sistemi morfoclimatici in cui sono state modellate le morfostrutture osservate e le modalità di interazione dei processi nel breve e medio termine; ii) le modalità di esumazione di nuclei mesozoici lungo la zona assiale della catena; iii) la scansione temporale dei movimenti verticali; iv) il contributo dell'attività delle faglie normali sul sollevamento regionale plio-quaternario dedotto dal confronto tra i valori dei tassi di sollevamento locali e regionali nello stesso intervallo di tempo (Boenzi et al., 2004).