RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Termocronologia e modellazione termica in catene collisionali: il sito-campione della galleria del Sempione

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - SCIENZE DELLA TERRA E GEOLOGICO-AMBIENTALI - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Massimiliano Zattin

Descrizione

Il programma di ricerca si articola in tre fasi principali.
- FASE 1: Campionamento (durata: mesi 2). Il museo di geologia di Losanna ha messo a disposizione la sua collezione di campioni prelevati durante lo scavo della galleria del Sempione nel 1905. Tale campionamento sarà effettuato ad intervalli piuttosto regolari lungo tutto il tracciato del traforo (20 km). Date le dimensioni ridotte dei campioni (circa mezzo chilo ciascuno), il nostro campionamento sarà necessariamente composito, per un totale di circa 30 campioni (uno ogni 600 metri). Variazioni nelle dimensioni e nella spaziatura tra un campione e l’altro saranno possibili sulla base dei litotipi presenti. E’ già stato verificato che la gran parte del traforo attraversa unità di basamento cristallino (prevalentemente gneiss) che hanno elevata probabilità di contenere apatite. Una seconda fase del campionamento riguarderà le unità affioranti in superficie, a completamento di quanto già esiste in letteratura (vedi Keller et al., 2006, e bibl. citata). Verrà quindi presa in considerazione tutta l’area attraversata dalla galleria e cioè il margine occidentale del duomo metamorfico Lepontino. Il confronto di dati da sottosuolo e dati di superficie è ovviamente fondamentale per una ricostruzione dell’evoluzione dell’assetto termico. Date le note relazioni tra quota del campione ed età ottenuta da esso (es. Fitzgerald e Gleadow, 1988) e i notevoli dislivelli presenti (circa 2900 metri), si tenterà anche il campionamento lungo un profilo verticale. Alla fase di campionatura si accompagnerà un’attenta analisi dei dati strutturali. Infatti, requisito fondamentale per uno studio di questo tipo è la conoscenza dei rapporti che intercorrono tra età di deformazione ed età di esumazione. In altre parole, si deve verificare la presenza o meno di strutture fragili di età successiva al raffreddamento al di sotto delle temperature di chiusura delle tracce di fissione e dell’(U-Th)/He. Durante la campagna di campionamento in superficie, si dedicherà parte del lavoro all’analisi delle strutture fragili presenti. Dati di letteratura (Keller et al., 2006) evidenziano tuttavia come lungo il tracciato della galleria non vi siano faglie di età post-3 Ma particolarmente importanti. Ciò renderebbe senz’altro più semplice la lettura del dato termocronologico.

- FASE 2: preparazione dei campioni e analisi (durata: mesi 12). Dopo le usuali fasi di preparazione del campione (macinazione, separazione idrodinamica, separazione magnetica, separazione con liquidi pesanti), le apatiti ottenute verranno innanzitutto datate con il metodo delle tracce di fissione. Tali analisi verranno effettuate interamente nei laboratori del Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico-Ambientali dell’Università di Bologna. Sulla base dei risultati ottenuti, si deciderà quali campioni sottoporre all’analisi (U-Th)/He, da effettuarsi presso il Geology Department della Yale University. Contemporaneamente verranno analizzati i dati strutturali raccolti.

- FASE 3: modellazione dei dati (durata: mesi 9). I dati ottenuti da entrambi i metodi verranno dapprima analizzati utilizzando software dedicati (es. HeFTy), che permettono di individuare la storia termica che meglio soddisfa i dati sperimentali attraverso l’uso combinato di modellazione inversa e diretta. Questi software si basano su modelli di riferimento per la cinetica dell’annealing delle tracce di fissione e di diffusione dell’Elio (es. Laslett et al., 1987; Farley, 2000) che sono stati tarati sul confronto di dati ottenuti da esperimenti di laboratorio e da campioni di roccia (es. Duddy et al., 1988; Green et al.,1989; Warnock et al., 1997; House et al., 1999). In realtà, vi sono ancora parecchie incertezze, soprattutto per quanto riguarda la diffusione dell’Elio alle basse temperature. A questo proposito, il progetto ha le potenzialità per offrire dei contributi innovativi. Infatti, vengono presi in considerazione campioni da rocce che stanno attualmente dentro la zona di diffusione e al margine della finestra di annealing delle tracce di fissione. Quindi, una volta ricostruita l’evoluzione termica, è come se si avesse a disposizione un laboratorio naturale con un esperimento della durata di qualche milione di anni. Il miglioramento delle conoscenze teoriche che stanno alla base dei metodi termocronologici ha un risvolto applicativo importante in quanto queste metodologie sono comunemente usate dalle industrie petrolifere.
Una seconda fase di modellazione riguarda l’assetto termico vero e proprio e cioè il comportamento delle isoterme durante l’esumazione. Tale fase, da svolgersi prevalentemente nel secondo anno della ricerca, sarà ovviamente condotta assieme all’unità di Trieste e ai ricercatori della Yale University. Uno dei limiti maggiori dei modelli finora esistenti (es. Mancktelow e Grasemann, 1997; Stuwe et al., 1994) deriva dal fatto che essi sono essenzialmente bidimensionali. Viene quindi del tutto a mancare la caratterizzazione in tre dimensioni dell’oggetto geologico. A questo proposito sono stati effettuati vari tentativi (es. Ehlers e Farley, 2003) con strategie anche molto diverse ma i risultati finora ottenuti sono ancora preliminari e non permettono un loro utilizzo in routine. Un altro limite deriva dal fatto che, oltre alla posizione delle isoterme, variano anche le temperature critiche dei due sistemi, vale a dire le zone di annealing e di diffusione. Si è infatti visto come ci sia una corrispondenza diretta tra le temperature delimitanti queste zone e la durata dell’evento termico (minore è la durata dell’evento termico, maggiori sono le temperature di annealing e diffusione). Infine, un’ulteriore complicazione deriva dal fatto che, oltre alla velocità di esumazione, anche la topografia può variare nel tempo e quindi influenzare con modalità diverse la forma e la posizione delle isoterme. In conclusione, data la collaborazione la Yale University, si prevede di sviluppare il modello monodimensionale proposto da Brandon et al. (1998) che teneva conto sia dell’avvezione di calore durante l’esumazione che delle relazioni tra temperatura di chiusura e velocità di raffreddamento.

Gli obiettivi della ricerca dal punto di vista metodologico si possono quindi così riassumere:
- definizione dei limiti inferiori delle zone di annealing delle tracce di fissione e di diffusione dell’Elio;
- ricostruzione dell’assetto termico prima e durante l’esumazione;
- elaborazione di un modello che tenga conto delle relazioni tra geoterme, esumazione e topografia.
I risultati ottenuti avranno inoltre implicazioni importanti per lo studio dell’evoluzione geologica dell’area in esame. Sarà infatti possibile porre nuovi vincoli alla cinematica della Linea del Sempione e del margine occidentale del duomo Lepontino. In particolare, le analisi con l’(U-Th)/He permetteranno di verificare la possibile attività tettonica della Linea del Sempione o di faglie ad essa collegate negli ultimi 3 milioni di anni.

Riferimenti bibliografici
BRANDON M.T., RODEN-TICE M.K. & GARVER J.I. (1998) - Late Cenozoic exhumation of the Cascadia accretionary wedge in the Olympic Mountains, NW Washington State. Geological Society of America Bulletin, 110, 985-1009.
DUDDY I.R., GREEN P.F. & LASLETT G.M. (1988) - Thermal annealing of fission tracks in apatite 3. Variable temperature behaviour. Chem. Geol., 73, 25–38.
EHLERS T.A. & FARLEY K.A. (2003) - Apatite (U-Th)/He thermochronometry: methods and applications to problems in tectonic and surface processes. Earth Plan. Sci. Lett., 206, 1-14.
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LASLETT G.M., GREEN P.F., DUDDY I.R. & GLEADOW A.J.W. (1987) – Thermal annealing of fission tracks in apatite: 2. A quantitative analysis. Chem. Geol., Isot. Geosci. Sect., 65, 1-13.
MANCKTELOW N. & GRASEMANN B. (1997) - Time-dependent effects of heat advection and topography on
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