RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Strutturazione, esumazione, ed erosione della catena Himalayana

Università di riferimento

Università degli Studi di MILANO-BICOCCA - SCIENZE GEOLOGICHE E GEOTECNOLOGIE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Eduardo Garzanti

Descrizione

L’analisi di provenienza dei sedimenti rappresenta un approccio complementare, per ricostruire la storia evolutiva di un orogene, rispetto ai metodi usuali che focalizzano invece l’attenzione sulle unità rocciose affioranti in catena. Se questi ultimi riescono a documentare i principali eventi geologici spesso solo in modo discontinuo nello spazio e nel tempo, l’analisi dei prismi clastici accumulati nei bacini sedimentari può consentire, almeno in via teorica, di ricostruire la completa storia erosiva della catena.
L’applicazione di una gamma integrata di tecniche sia consolidate che avanzate per decifrare la provenienza dei sedimenti rappresenta dunque una strategia di grande efficacia potenziale per ricostruire l’evoluzione paleotettonica di una catena montuosa. Questo è vero in particolare per le fasi tettoniche più antiche, le cui tracce sono spesso sovraimposte e cancellate da eventi metamorfici successivi nelle unità rocciose esposte, oppure rimosse per sollevamento tettonico e conseguente erosione.
Il più importante risultato da noi conseguito negli scorsi anni è la caratterizzazione dei due più grandi sistemi sedimentari himalayani (Indo e Brahmaputra; Garzanti et al. 2004; 2005), e l’elaborazione di un budget sedimentario di massima per l’intera catena.
Nell’ambito del nuovo progetto PRIN 2006, la finalità fondamentale della nostra Unità di Ricerca è quella di consentire un nuovo e importante salto di qualità nella capacità di decifrare il record sedimentario orogenico. Per tale scopo dovremo da una parte arrivare a definire le caratteristiche specifiche del detrito prodotto da ciascuna delle principali unità sorgente (con dettaglio paragonabile a quello raggiunto nelle Alpi; Garzanti et al. 2004; 2006), e dall’altra arrivare a descrivere quantitativamente l’incidenza relativa dei singoli fattori che, oltre alla provenienza, influenzano la composizione dei sedimenti orogenici (i.e. selezione idraulica, granulometria, alterazione climatica, dissoluzione diagenetica).
Questo lavoro lungo e meticoloso rappresenta la premessa necessaria e indispensabile per arrivare a comprendere in modo efficace le variazioni composizionali osservate nei tratti fluviale, deltaico, e torbiditico di un sistema sedimentario, e quindi per decifrare le informazioni che sono contenute nei più grandi archivi sedimentari della Terra, le conoidi torbiditiche dell’Indo e del Bengala.
Questo passaggio essenziale oggi non è possibile, perchè manca ancora una spiegazione convincente delle diverse incongruenze evidenziate dai dati petrografici, mineralogici e isotopici disponibili sui sistemi deltizi e torbiditici attuali (e.g., Clift et al. 2002, p.103; Garzanti et al. 2004, fig. 4; Garzanti et al. 2005, p.300).
Compito primario della nostra Unità di Ricerca, i cui componenti hanno maturato una esperienza pluridecennale sulle successioni stratigrafiche del margine continentale indiano e sui diversi metodi di datazione radiometrica di rocce himalayane, sarà anche quello di coadiuvare le ricerche delle altre Unità, focalizzate su aspetti strutturali, metamorfici e magmatici, sia per quanto riguarda l' individuazione dei possibili protoliti sedimentari dei complessi metamorfici e il riconoscimento tentativo di una stratigrafia originaria nell'ambito di complessi fortemente deformati, sia per quanto riguarda la datazione di campioni di rocce cristalline e più in generale la supervisione, l'acquisizione, e l'interpretazione di dati geocronologici.

INTERVALLO TEMPORALE 1 (SEDIMENTI ATTUALI E QUATERNARI)
Grazie alla mole di lavoro svolto negli scorsi anni, la nostra Unità di Ricerca dispone oggi di un ampio data base sulla composizione delle sabbie attuali derivate dalla catena himalayana, che comprende tutti i principali affluenti dei tre grandi sistemi fluviali (Indo, Ganga, Brahmaputra), per un totale di quasi 400 analisi sia petrografiche che mineralogiche. Tale database fornisce un riferimento attualistico per qualsiasi successione stratigrafica studiata al fronte della catena dal Pakistan al Bangladesh, consentendoci una interpretazione diretta accurata e precisa per i sedimenti Plio-Pleistocenici, e offrendo indicazioni preziose per l' analisi di provenienza di sedimenti più antichi.
La finalità del nuovo progetto di ricerca PRIN 2006 è quella di integrare il data base da una parte con analisi termocronologiche (tracce di fissione), geocronologiche, geochimiche e diffrattometriche, e dall’ altra con studi di grande dettaglio in aree selezionate della catena.
Obiettivi primari della ricerca saranno, oltre al sistema fluviale complessivo del Gange, sia lo studio di dettaglio di transetti selezionati attraverso la catena, dal Nepal Centrale (Valle della Marsyandi) al Sikkim e al Bhutan centro-occidentale, sia in particolare le grandi aree deltizie di passaggio tra sistemi fluviali (Indo, Brahmaputra-Ganga, Irrawaddy) e torbiditici (Indus Fan e Bengal Fan).
Nelle aree dei delta dell’Indo e del Bengala si studieranno anche - grazie a una serie di collaborazioni internazionali e all’ accesso a pozzi Shell e Cairn - alcune successioni campionate in sondaggio, con lo scopo di verificare sia l’influenza delle variazioni climatiche Quaternarie sulla composizione dei sedimenti, sia l’incidenza della diagenesi in sedimenti via via più antichi.
Il lavoro avrà anche una essenziale valenza metodologica, poichè si cercherà di isolare e di valutare quantitativamente l’importanza relativa dei diversi fattori che, oltre alla provenienza, controllano la composizione dei sedimenti. A questo scopo si analizzeranno separatamente, su campioni selezionati, le diverse frazioni granulometriche (silt grossolano, sabbie estremamente fini, molto fini, fini, medio-fini, medie, medio-grossolane e grossolane). Si confronteranno inoltre le caratteristiche composizionali dei sistemi sedimentari situati alle due estremità della catena, caratterizzate da clima molto diverso (arido in Pakistan, umido monsonico in Assam), per valutare l’ effetto della alterazione chimica. Questa parte del lavoro rappresenta una delle maggiori novità di approccio rispetto a quanto realizzato in passato, e consentirà di ottenere risultati di validità generale che contribuiranno a migliorare i modelli disponibili per l’interpretazione di provenienza dei sedimenti orogenici.

INTERVALLO TEMPORALE 2 (SIWALIK GROUP)
Dopo avere studiato nell'ambito di precedenti progetti le unità affioranti in India settentrionale (intervallo di età 13-5 Ma; White et al. 2002) e in Nepal (16-1 Ma; Szulc et al., in stampa), nel nuovo Progetto ci concentreremo sulla terminazione orientale della catena, dal Bangladesh fino alla Birmania e alle isole Andamane.
Il lavoro verrà svolto in stretta collaborazione con enti di ricerca e università soprattutto inglesi (Lancaster, Oxford, Cambridge, Londra). Lo scopo finale sarà quello di ricostruire l' evoluzione strutturale ed erosiva della catena negli ultimi 20 Ma, e in particolare le tappe fondamentali della sua progressiva crescita frontale, con il coinvolgimento e l'esumazione delle unità del Lesser Himalaya lungo il Main Boundary Thrust e altri lineamenti strutturali maggiori. Si cercheranno inoltre evidenze petrografiche, mineralogiche, geocronologiche, e geochimico-isotopiche dirette o indirette per comprovare o meno il sollevamento finale del plateau Tibetano durante queste fasi, e di conseguenza l' instaurazione della circolazione monsonica sull' Asia meridionale.

INTERVALLO TEMPORALE 3 (UNITA' PRE-SIWALIK)
Il nuovo progetto prevede l’ estensione del lavoro, realizzato negli ultimi anni in Pakistan, India e Nepal (Critelli & Garzanti 1994; Garzanti et al. 1996; Najman & Garzanti 2000; White et al. 2002; Najman et al. 2003; DeCelles et al. 2004; Najman et al. 2005), alla terminazione orientale del bacino di avampaese e della catena in Bangladesh e lungo il bordo orientale del Golfo del Bengala (Indo-Burman Ranges, Andaman-Nicobar Ridge, Mentawai Islands). Se esisteranno le condizioni politiche e logistiche, si riprenderà anche il lavoro non solo nel sottosuolo del Nepal centrale, ma anche sulla porzione più occidentale della catena, dal bacino del Katawaz al confine con l’ Afghanistan fino alle successioni del Makran. Lo scopo fondamentale di questa ricerca sarà quello di fare luce sulla parte più antica della storia morfologica ed erosiva della catena Himalayana.
E' questo un argomento ancora assai controverso. Non è chiaro quale fosse il rilievo iniziale della catena. Non è chiara la spiegazione del lungo gap stratigrafico tra Eocene medio-superiore e Oligocene superiore documentato dallle successioni stratigrafiche del bacino di avampaese dal Pakistan al Nepal (Najman et al. 1997; 2002; 2006; Najman & Garzanti 2000; DeCelles et al. 1998; 2004). Non è chiaro se un corso d'acqua simile all' Indo attuale sia esistito fin dalle prime fasi della collisione (Clift 2002) o meno (Brookfield, 1998; Sinclair & Jaffey, 2000), e se questo drenasse nel Golfo Arabico o nel Katawaz Basin (Qayyum et al. 1997; 2001).
Obiettivo essenziale finale è quello di ricostruire la storia più antica delle due conoidi torbiditiche del Bengala e dell’ Indo, e capire se questi grandi sistemi deposizionali fossero già attivi a partire dalle prime fasi della collisione (e.g., Clift et al. 2000; 2001; 2002), oppure se l’ apporto massiccio di detriti della catena sia iniziato solo verso la fine dell’ Oligocene, in seguito all’ espulsione tettonica del “canale” caldo del Greater Himalaya. Questo aspetto è determinante per comprendere l’ evoluzione geomorfologica della catena e le relazioni tra processi tettonici e formazione del rilievo, che hanno a loro volta fondamentali ricadute sulla circolazione atmosferica e sul clima.

ANALISI PETROGRAFICHE E MINERALOGICHE
Nell' ambito delle numerose collaborazioni con ricercatori ed enti di ricerca italiani e stranieri, presso l' Unità di ricerca di Milano-Bicocca verrà svolta l'indagine sulla composizione mineralogica, petrografica, e geocronologica dei sedimenti. I metodi petrografici adottati sono di natura per larga parte consolidata (Ingersoll et al. 1984; Valloni 1985; Zuffa 1985; 1987), ma per l' interpretazione verrà utilizzato uno spettro di parametri significativamente ampliato rispetto a quelli tradizionalmente considerati (Dickinson & Suczek 1979; Ingersoll et al. 1993), soprattutto per quanto riguarda i frammenti di roccia (Garzanti & Vezzoli 2003), con criteri innovativi e collaudati negli ultimi anni in studi di provenienza attualistici in vari contesti geodinamici (Garzanti et al. 2000; 2001; 2002a,b, Garzanti et al. 2003; 2004; 2005; 2006). L' analisi statistica e il calcolo degli intervalli di confidenza verranno svolti secondo una tecnica rigorosa, introdotta specificamente per l'analisi dei dati composizionali (e.g., Aitchinson 1986; Weltje 2002). Insieme all' analisi petrografica verrà sistematicamente svolta l'analisi quantitativa dei minerali pesanti, effettuata con metodi di tipo consolidato (Parfenoff et al. 1970; Mange & Maurer 1992).

GEOCRONOLOGIA DI BASSA TEMPERATURA (TRACCE DI FISSIONE)
Una delle più importanti novità del nostro progetto PRIN 2006 sarà l' applicazione estensiva di tecniche geocronologiche sui minerali detritici. Per questa ragione, la voce principale del budget previsto per la nostra Unità è costituita dal finanziamento della Grande Attrezzatura necessaria per la realizzazione in sede delle analisi delle tracce di fissione su minerali detritici (apatite e zircone). La trattativa per l’ acquisto di tutti gli strumenti e accessori è già stata definita, e questo consentirà di acquisire e rendere operative le attrezzature già nella fase iniziale del progetto. Analisi geocronologiche sono attualmente in corso di realizzazione presso laboratori esterni, in Italia (Bologna; Fellin et al. 2005; Malusà et al. 2005) e all’ estero (Svizzera, Francia, Gran Bretagna, Stati Uniti; Bardini et al. 2006), in collaborazione con giovani ricercatori che parteciperanno direttamente alla realizzazione di questo nuovo Progetto PRIN 2006.
L’ analisi delle tracce di fissione permette di ricostruire la storia termica e il percorso di esumazione di una roccia da livelli crostali caratteristici per ciascuno dei minerali analizzati (apatite, zircone) sino alla sua esposizione in superficie.
Tale tecnica considera gli effetti della fissione dell' U238 presente nel reticolo cristallino. Nell'apatite, la fissione produce tracce che si preservano nel reticolo cristallino a temperature inferiori a 100°C circa, mentre a temperature superiori queste tracce vengono cancellate al momento della loro formazione (Naeser and Faul, 1969; Wagner, 1969). La densità delle tracce, misurabile al microscopio ottico previo attacco chimico, è proporzionale al contenuto d'uranio e al tempo intercorso da quando la roccia si trovava a livelli crostali e temperatura tali da permettere la preservazione delle tracce prodotte. Questa metodologia consente quindi di vincolare l'esumazione dei volumi rocciosi a livelli crostali superficiali, cioè il percorso del volume roccioso in rapporto alla superficie terrestre, dal momento che il raffreddamento delle rocce nei livelli più superficiali della crosta è determinato principalmente dalla rimozione delle rocce soprastanti, per erosione o esumazione tettonica.
La relazione tra stabilità delle tracce di fissione e temperatura è in realtà complessa. Esiste infatti un intervallo di temperatura in cui le tracce sono parzialmente instabili e si raccorciano (processo di "annealing"). Questo intervallo è chiamato "partial annealing zone" (PAZ; Gleadow and Fitzgerald, 1987), e per l'apatite è compreso tra 60° e 120°C, temperature caratteristiche dei primi 3-5 km di profondità. Procedimenti di "modelling" della distribuzione della lunghezza delle tracce (Lanslett et al., 1987) consentono un'accurata descrizione della storia termica delle rocce a questi livelli crostali.

ALTRI METODI
In una prospettiva multidisciplinare, e con lo scopo di ottenere ulteriori informazioni per le interpretazioni di provenienza, nell' ambito del presente progetto di ricerca PRIN 2006 verranno utilizzate anche altre tecniche di tipo geocronologico sui singoli minerali detritici (muscovite, biotite, monazite, anfiboli), oltre a tecniche di tipo geochimico, geochimico-isotopico (Sr, Nd, Pb) e diffrattometrico su sedimento totale, con particolare riguardo alle frazioni fini. Queste analisi avranno soprattutto lo scopo di ottenere informazioni anche su quelle frazioni granulometriche (silt e argilla) che mal si prestano all' analisi petrografica e mineralogica al microscopio e che pur rappresentano una porzione consistente del traporto solido nei grandi sistemi fluviali.