LA SUTURA LONGITUDINALE DELL'APPENNINO E LA STRUTTURA PROFONDA DEL MARGINE OCCIDENTALE DELLA PLACCA ADRIATICA

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1 C. Morelli DINMA, Università di Trieste LA SUTURA LONGITUDINALE DELL'APPENNINO E LA STRUTTURA PROFONDA DEL MARGINE OCCIDENTALE DELLA PLACCA ADRIATICA Riassunto. Le caratteristiche geometriche e geofisiche della crosta appenninica sono state investigate negli ultimi 40 anni tramite profili sismici a rifrazione. Nel presente lavoro vengono sintetizzate le principali evidenze riconosciute. THE APENNINIC LONGITUDINAL SUTURE AND THE DEEP STRUCTURE OF THE WESTERN MARGIN OF THE ADRIA MICRO-PLATE Abstract. The geometrical and geophysical characteristics of the Apenninic crust have been investigated since the Sixties by refraction seismic exploration. The main results obtained are summarised in the poresent work. INTRODUZIONE I primi dati quantitativi sulla crosta profonda sono quelli dedotti dalla sismica a rifrazione (DSS) e WA (Wide Angle) dagli anni (Fig. 1). In particolare, dati fondamentali di partenza sono stati la conoscenza delle leggi di velocità con la profondità (da cui le caratteristiche degli strati interni), con le discontinuità connesse, in particolare della Moho (Fig. 2). Questa ha così rivelato le grandi variazioni dello spessore della crosta, che in terra è normale (30-35 km) solo in corrispondenza dei residui di crosta europea (blocco sardo-corso) o di crosta africana (microplacca adriatica). Lo spessore aumenta nelle zone di compressione (30-40 km: Appennini) o di collisione continentale e raddoppio (70-80 km: Alpi); diminuisce (15-25 km) nelle zone di distensione (crosta toscana-laziale retro-arco) fino a diventare oceanica (5-10 km) nel Tirreno centrale e sud-orientale. Queste forti variazioni sono le conseguenze per la Penisola italiana di una geodinamica recente (~ da 30 Ma ad oggi) e recentissima (come dimostrato dalla sismicità, dal geomagnetismo e dai movimenti della crosta). Ad esse dedicheremo l'esposizione che segue. I DATI GEOFISICI Sismica attiva Sismica a rifrazione profonda (DSS-WA) I dati originali degli anni erano analogici. Dagli anni 70, l'introduzione della sismica digitale ha consentito migliori realizzazioni sul terreno e soprattutto passi da gigante nell'interpretazione (Morelli, 1993). Il programma è stato continuato fino agli anni 90 dal GNGTS, e ultimato con la completa revisione (digitalizzazione

2 dei primitivi dati DSS analogici, interpretazione integrata computerizzata). Un atlante è in preparazione a cura dell IRRS. A titolo di esempio riportiamo in Fig. 3 alcuni profili trasversali dell Appennino, reinterpretati dopo digitalizzazione. Oltre al maggiore dettaglio, sono indicati i valori delle velocità al tetto ed alla base delle discontinuità principali (essenziali per l interpretazione geologica). Rilevante è anche la sutura crostale fra i due tipi di crosta continentale (di spessore normale ad est, ridotto ad ovest), che si riscontra lungo tutto l Appennino cui corrisponde una fascia dei massimi della sismicità, caratterizzata da terremoti superficiali (2-12 km); in basso a destra 600 epicentri ricalcolati dalla rete ING con la tomografia sismica (Chiarabba e Amato, 1996). La causa contingente va attribuita al contrasto fra la compressione originaria ad est (grosso modo in corrispondenza alla cresta attuale degli Appennini) e la dilatazione in atto nella zona retro-arco in subduzione ad ovest. L attività geodinamica va quindi riferita principalmente alla subsidenza della placca adriatica sotto quella tirrenica (Fig. 2). Fig. 1 - I Grandi Profili di Sismica a Rifrazione (DSS) realizzati ( : km) dall OGS e dal GNGTS (CNR). I Profili in grassetto sono stati digitalizzati e rielaborati elettronicamente dall Istituto di Ricerca per il Rischio Sismico del CNR (IRRS); vedi Fig. 3.

3 Fig. 2 - Isobate della Moho (equidistanza: 5 km; Nicolich, Dal Piaz, 1988) e diversificazione della crosta nell area italiana. Isobate: grosse = Moho adriatica; sottili = europea; tratteggiate = assottigliata (tirrenica) o oceanica. Tratteggio: orizzontale = massima estensione verso ovest della placca adriatica; inclinato = contatto e/o flessura (corrispondente anche al massimo gradiente gravimetrico e della sismicità) fra crosta normale adriatica di avampaese e la sua parte assottigliata. Sismica a riflessione profonda (NVR): il programma CROP Naturalmente, anche la sismica a riflessione (NVR = Near Vertical Reflection) ha fatto negli ultimi decenni progressi enormi sia in campo tecnologico che interpretativo. Il limite in profondità di circa 10 km per la determinazione delle velocità è stato sorpassato negli anni 70 per l iniziativa di un Consorzio di Università americane (COCORP), con un salto tecnologico fondamentale per lo studio della crosta profonda e mantello superiore: stendimenti molto lunghi (anche 20 km),

4 geofoni multipli (anche 100 per traccia), energizzazione ripetuta, registrazione digitale, processing mediante computer con software sempre più avanzati. Risultati: buone riflessioni in generale almeno fino alla base della crosta. Le applicazioni del metodo, estesesi dagli USA a tutti gli Stati (o consorzio di Stati) con tecnologie avanzate, hanno portato quasi ovunque a risultati eclatanti, spesso rivoluzionari. In Italia, il programma CROP (CROsta Profonda; Fig. 4) è stato promosso dal CNR con uno studio di fattibilità ( ) in adesione ad una proposta francese (ECORS) per un profilo comune attraverso le Alpi occidentali. Al Programma CROP si sono uniti, dal 1986, anche l AGIP e l ENEL. È stato così possibile realizzare, fino al 1990, i profili in terra ed in mare riportati in Fig. 4. Per i profili in cooperazione internazionale sono stati pubblicati volumi di sintesi, cui hanno fatto seguito numerose pubblicazioni in riviste specifiche. Per i profili italiani, sono pubblicati a cura del Direttore di ciascun Profilo gli studi preliminari, mentre per il profilo CROP-03 (che coincide praticamente con il profilo DSS indicato con C in Fig. 1 e 3), esiste già il rapporto finale a cura di Pialli et al. (1998). Dall interpretazione integrata completa (geologica e geofisica) estraiamo i seguenti risultati principali: La crosta superiore è risultata sempre ben delimitata in basso da un riflettore che, nella parte toscana, assume a tratti le caratteristiche di bright spot (orizzonte K). La Moho è ben visibile nella parte toscana solo all estremità occidentale del profilo, tra P.ta Ala e circa Paganico, dove è situata a circa 7 s (tempi doppi) di profondità; da qui fino alla Valdichiana è difficilmente tracciabile mentre torna ad essere individuabile dalla Valtiberina all Adriatico a circa 12 s (tempi doppi) di profondità, seppur in modo non molto netto ed univoco. Sempre all estremità occidentale del profilo al di sotto della Moho toscana è presente un altro marcato riflettore, di caratteristiche simili a quello della Moho sovrastante, che immerge verso est e mostra una accentuata inclinazione (Moho europea). La sismica DSS si è rivelata molto utile nella definizione della Moho sia nella parte centrale toscana dove la crosta inferiore manca di riflessioni significative sia nella zona umbro-marchigiana dove, con più chiarezza della sismica NVR, ne ha messo in luce la posizione. Questo tipo di indagine ha inoltre messo in evidenza nella parte occidentale del profilo la presenza di rifrattori/riflettori mantellici immergenti ad est sfuggiti alla sismica a riflessione. -Nell Appennino settentrionale esistono due settori crostali ben distinti: un settore orientale, dalla Valtiberina all Adriatico, caratterizzato da una crosta spessa, fredda e vecchia, non raggiunta, se non in piccola parte, dai processi di assottigliamento neogenici; un settore occidentale, dal Tirreno al graben di Radicofani, che presenta una crosta assottigliata, calda, con processi di ristrutturazione ancora in corso e passante senza un limite netto al sottostante mantello. Ciò implica che in quest ultimo settore c è una risalita dell astenosfera in atto e che la Toscana meridionale non si sta raffreddando come si è comunemente asserito prima del CROP-03: al contrario, essa si sta riscaldando. Un profilo altrettanto importante, perché attraversa l Appennino meridionale, è il CROP-04 (Agropoli-Barletta), realizzato nel 1989/90 ma i cui risultati sono stati ritardati per le difficoltà tecniche di esecuzione ma soprattutto di elaborazione. Superate queste, esso ha consentito di estendere le conoscenze dai 4-5 s derivanti dalla sismica di prospezione, a 7-8 s (~ 25 km; Fig. 5; Mazzotti et al., 2000). È stato

5 così possibile seguire un riflettore che sprofonda regolarmente verso SW fino a raggiungere la profondità di 25 km in corrispondenza della costa tirrenica. Esso è ritenuto la base delle falde di ricoprimento che hanno subito la deformazione compressionale partecipando alla stessa. Da notare l'enorme importanza (in spessore ed estensione) della serie carbonatica ed evaporitica deformata della piattaforma pugliese, di fronte alla serie indeformata che si estende per circa 60 km ad est. Tutti i profili CROP processati, saranno pubblicati con una relazione del Direttore di ciascun profilo, in un Atlante, a cura del Consiglio Scientifico CROP. Flusso di calore Le misure di flusso di calore, sia in terra che in mare, sono state eseguite in Italia soprattutto con fondi CNR e sono state pubblicate inizialmente nel Geothermal Atlas of Europe (Haenel et al., 1980). Esse permettono di riconoscere la presenza di attività magmatica in tutta l area estensionale di retro-arco tirrenica (sensu latu); le marcature ofiolitiche delle collisioni continentali; le estensioni delle province vulcaniche sommerse e delle aree geotermiche in terra ed in mare. Questo ultimo punto è molto importante ed economicamente promettente per l Italia: praticamente nell area geotermica toscana la fortissima risalita delle isoterme (Della Vedova et al., 2000; Fig. 6) e le condizioni litologiche in superficie (buona permeabilità in rocce fratturate, sotto copertura impermeabile) possono essere seguite con l orizzonte sismico K ( hot spot ) estesamente attorno alla presente area geotermica. Le implicazioni geotermiche di questa conclusione sono ad un tempo ovvie e confortanti: sorgenti di energia geotermica sono presenti non solo negli attuali campi di Larderello e del M. Amiata ma, potenzialmente, in tutta la Toscana meridionale e nel Lazio occidentale. Metodi di potenziale Le colossali falde di origine tirrenica (sensu latu) che hanno ricoperto radialmente e progressivamente quasi tutta l area appenninica attuale, hanno completamente mascherato l avanzamento delle conoscenze geofisiche in profondità. In questa situazione, le anomalie gravimetriche e magnetiche sono state negli anni 60 un valido aiuto, consentendo fra l altro di individuare: lo spessore della crosta, dalle anomalie negative in anticorrelazione con la Moho; l estensione del corpo di Ivrea e dell apparato vulcanico lessini-berici-euganei; la presenza dei grandi bacini di sedimentazione peri-appenninici esterni. Un passo decisivo per la conoscenza della crosta superiore è stato fatto in varie riprese dall AGIP, con la pubblicazione (Acc. Lincei, 1959) dei dati della Pianura Padana, successivamente incrementati dai dettagli pubblicati da Pieri e Groppi (1981) e dalle isobate del basamento magnetico (1986). Infine, con l interpretazione geologico-geofisica integrata (Cassano et al., 1996) che ha rivelato i seguenti elementi strutturali principali per l Appennino settentrionale quale conseguenza delle

6 spinte tettoniche in prevalenza da ovest, con la predominanza delle faglie e sovrascorrimenti connessi (Fig. 7): il gradino, dell ordine di 10 km, del basamento magnetico, che indica il sovrascorrimento della falda toscana e delle sottostanti unità fillitiche paleozoiche sopra le unità della Toscana esterna; il gradino, nel basamento della Toscana esterna, che si protende verso le valli di Chiana e Tiberina, indicante il sovrascorrimento del settore toscano sopra l umbro-marchigiano. La congiunzione di questo gradino con quello della Moho rappresenta il possibile piano del raddoppio crosta-mantello; il gradino dell area appenninica esterna che, congiunto verticalmente al gradino della Moho di Val Tiberina, viene interpretato come il sovrascorrimento del settore umbro-marchigiano sull area adriatica. Altrettanto importanti sono i risultati dell interpretazione integrata dei dati della crosta superiore (fino al cristallino) per l Italia meridionale, quali risultano dall interpretazione aeromagnetica-gravimetrica-sismica (Mostardini e Merlini, 1986) e per tutta l area italiana ricoperta dal rilievo aeromagnetico. Di particolare interesse è poi il tetto del cristallino. Questa importante discontinuità, che separa nella crosta superiore la parte superficiale sedimentaria dalla parte più profonda, metamorfosata, è difficile da individuare con la sismica e con la gravimetria, dato che molto spesso i parametri corrispondenti differiscono di poco con quelli della coltre sedimentaria (velocità da 6.6 a 6.7 km/s, densità da 2.7 a 2.8 g/cm 3 ). Si utilizzano allora le anomalie magnetiche, dalle quali si ricava il basamento magnetico (b.m.), termine con il quale si intende il marker connesso con le anomalie magnetiche (a. m.) più profonde, quando per esse non c è una chiara evidenza per un origine intra-sedimentaria. Sotto il b. m. dovrebbe, in genere, essere esclusa la presenza di rocce sedimentarie. Di solito esso è di poco superiore al tetto del cristallino. Il rilievo aeromagnetico d Italia e dei mari circostanti, realizzato dall AGIP ( ), ha permesso di ricavare mediante l interpretazione integrata con prospezione sismica, gravimetrica e perforazioni preziose informazioni sulle caratteristiche del b. m. che riassumiamo come segue per la regione in esame. Il b. m. che nella Pianura padana si mantiene in generale sui 7-9 km, mentre tende a salire a 4-5 km nell area dei Berici-Euganei, sprofonda verso i 12 km lungo il margine dell Appennino. Il b. m. rispecchia quindi nelle grandi linee l aspetto strutturale della Pianura padana. Fra l Elba e la Toscana occidentale, limitato dall allineamento Pontremoli- M.Amiata-Civitavecchia, si sviluppa il basamento Suscettivo Toscano. Le profondità delle sue principali strutture variano fra 2 e 4.5 km. Ad oriente del predetto allineamento la profondità del b. m. scende a km, e resta intorno a questo valore fino all interno dell Adriatico, con l eccezione di una serie di strutture di direzione appenninica che risalgono a meno di 10 km e si allineano da Mercato Saraceno a L Aquila. Verso il centro dell Adriatico strutture con il medesimo allineamento risalgono a 7-10 km. Le massime profondità del b. m., oltre 14 km, sono fra Bologna e Parma, presso L Aquila e nell alto Adriatico. L Appennino centro-meridionale si sviluppa a sud della linea Ancona-Anzio e fino alla linea di Sangineto, in Calabria; in esso le rocce sono in netta prevalenza calcaree e di piattaforma (piattaforma laziale-abruzzese); nel settore meridionale di questo Appennino sono state identificate più piattaforme sovrapposte, quindi in falda proveniente da ovest e vergente verso l Adriatico.

7 A S del 41 parallelo sono stati evidenziati una serie di alti che si sviluppano secondo l allineamento Potenza-S.Arcangelo-Crotone a profondità km. L Arco Calabro-peloritano comprende parte della Calabria e della Sicilia orientale. È costituito da rocce cristalline che si differenziano completamente dal restante Appennino; si spinge in Sicilia fino alla Linea di Longi-Taormina ed è interpretato come un frammento di catena alpina che è andato a finire al disotto dell Appennino. Si tratta quindi di una serie di falde provenienti da NW e che stanno al disotto dei rimanenti terreni appenninici. Fig. 3 - Esempio di alcuni profili DSS revisionati e reinterpretati dopo digitalizzazione (indicati in grassetto in Fig. 1). In basso a destra i maggiori terremoti (revisione ING).

8 Fig. 4 - I profili NVR del programma CROP. In Sicilia assumono particolare evidenza gli alti del basamento ad elevata suscettività. In sintesi: le isobate del b. m. indicano che ad eccezione delle strutture sopra elencate esso si trova a profondità di km. Quest area coincide con quella invasa dalle falde di sovrascorrimento; l aumento di peso è anche causa della forte subsidenza della crosta sottostante. Le caratteristiche magnetiche del b. m., espresse dalla sua suscettività magnetica, meritano una menzione a parte. Infatti, la crosta continentale della placca adriatica, oltre allo spessore normale presenta anche un b. m. a suscettività medio

9 alta; al contrario del b. m. acido (c bassa) della crosta interessata dalle Alpi, o denudata della Sardegna; mentre è medio-bassa per la crosta delaminata dell Appennino e del Tirreno Sismologia L istituzione della nuova Rete Sismica Nazionale dell ING ed il proliferare di numerose Reti Sismiche Locali in aree e per lo studio di problemi particolari, ha consentito un avanzamento formidabile nelle conoscenze della crosta terrestre e del mantello superiore: anzitutto per la localizzazione via via più precisa delle coordinate ipocentrali, per l aumento del numero degli eventi rilevabili, per gli studi sulle cause, ecc. Le ricadute per la Scienza e sul campo sociale cominciano a dare frutti preziosissimi. A questo scopo, ricordiamo che i processi di assottigliamento crostale si sono realizzati nel Tirreno nel Neogene, e progressivamente più ad est nella Toscana marittima ed in quella centrale, tramite faglie dirette immergenti ad est, come confermato dal CROP-03. La attuale faglia della Valtiberina ha le stesse caratteristiche delle faglie toscane; essa rappresenta lo stato iniziale, Plio- Quaternario di un assottigliamento che sta raggiungendo l Appennino. Questa faglia e le sue antitetiche, ovest immergenti, costituiscono un sistema tettonico estensionale comune a tutto l Appennino settentrionale e sono in grado di spiegarne la sismicità dal momento che i fuochi dei terremoti più importanti e dei microsismi cadono nei piani delle faglie stesse. Deriva da questa conclusione che dal punto di vista metodologico la ricerca delle faglie attive e del limite fragile-duttile nella crosta trova nella sismica a riflessione un contributo determinante. Sempre da un punto di vista metodologico, inoltre, una volta che siano accertate la posizione e la cinematica delle faglie sismogenetiche dell Appennino, l approccio probabilistico nel calcolo dell hazard sismico dovrà quantomeno essere contemperato con approcci misti probabilistico-deterministici o solo deterministici (Morelli, 1999). Ai fini di questa nota, ricordiamo anzitutto ancora la correlazione della sismicità con il sistema di faglie che costituisce la sutura appenninica longitudinale (Fig. 3). Menzioniamo quindi i continui progressi realizzati nello studio dei moti focali, che consente di studiare la sismotettonica della penisola italiana dalle variazioni spaziali delle tensioni registrate. Fra gli studi più recenti menzioniamo quello di Frepoli e Amato (2000), che hanno dimostrato che la maggior parte dell Appennino è dominata da distensione perpendicolare all'orientamento dell'orogene. Solo negli Appennini settentrionali non c è una chiara distinzione fra un area di distensione nella porzione interna della catena e un area di compressione orizzontale lungo il margine adriatico della catena. Ma uno dei più importanti contributi alla comprensione dei vincoli tomografici all evoluzione geodinamica della regione italiana è stata pubblicato recentemente da Lucente et al. (1999) dallo studio di 6000 tempi di arrivo di onde P e PKP registrate nel periodo dalla rete ING. Il risultato principale è l individuazione di un corpo continuo ad alta velocità fra 250 e 670 km sotto tutto il sistema appenninico inclinato verso l area tirrenica. Esso continua verso l alto diviso in due anomalie principali negli archi dell Appennino settentrionale e nell Arco calabro. Gli AA. interpretano questo corpo (spessore km) ad alta velocità (2-4% > del mantello normale) come litosfera oceanica subdotta fra le placche Euroasiatica ed Africana.

10 Fig. 5 - Sezione geologica schematica attraverso gli Appennini meridionali lungo il profilo CROP-04 (da Mazzotti et al., 2000). Per i primi 60 km ad est, la parte superiore della crosta apula è indeformata e ricoperta dai depositi Mesozoico-Terziari di avampaese (carbonati ed evaporiti); al centro e ad ovest invece, i carbonati e le evaporati della piattaforma apula sono deformati (Sistema duplex dell Appennino meridionale) e ricoperti in prevalenza dall unità di Alburno-Cervati (carbonati di acque poco profonde).

11 Fig. 6 - Sezioni geotermiche trasversali attraverso la crosta superiore dell Appennino sett. e dell Appennino merid. Le litologie indicano le permeabilità e le conduttività termiche medie (da Della Vedova et al., 2000). La distribuzione della sismicità intermedia e profonda in Italia ben si adatta all'interpretazione del modello ricavato dalla tomografia sismica per l'arco calabro, dove risulta una concentrazione di eventi fra 150 e 250 km, solo pochi eventi sparsi sotto 400 km e nessuno inferiore a 500 km (Giardini e Velonà, 1991), mentre pochi eventi sparsi sono registrati nell'appennino settentrionale fino ai 90 km di profondità (Selvaggi e Amato, 1992). Sicché gli AA. concludono che le strutture ad alta velocità rivelate sarebbero litosfera in subduzione nel mantello, ma per la maggior parte sismicamente inattiva. Il meccanismo resta da chiarire.

12 Fig. 7 - Interpretazione integrata sismico-gravimetrico-magnetica di una sezione crostale trasversale Tirreno-Adriatico corrispondente al profilo CROP-03 (Cassano et al.,1996). BIBLIOGRAFIA Accademia Nazionale dei Lincei; 1959: I giacimenti gassiferi dell Europa occidentale. Convegno organizzato con l ENI, Milano , 2.vol., pag Cassano E., Anelli L., Cappelli V., La Torre P.; 1996: Interpretazione di dati magnetici e gravimetrici dell Appennino Settentrionale in relazione al profilo CROP 03. Relazione interna AGIP, pg. 10. Chiarabba C., Amato A.; 1996: Crustal velocity structure of the Apennines (Italy) from P-wave travel time tomography. Annali di Geofisica XXXIX, 6, Della Vedova B., Bellani S., Pellis G. and Squarci P.; 2000: Deep Temperatures and Surface Heat Flow Distribution. In: Vai & Martini (eds.). Anatomy of a mountain belt: the Apennines. Elsevier, Spec. vol. Frepoli A., Amato A.; 2000: Spatial variations in stresses in peninsula Italy and Sicily from background seismicity. Tectonophysics, 317, Giardini D., Velonà M.; 1991: Deep seismicity of the Tyrrhenian sea. Terra Nova, 3, Haenel R. (ed.), Fanelli M., Rossi A., Salomone M., Taffi L. (co-ed. for Italy); 1980: Atlas of Subsurface Temperatures in the European Community. Comm. of the European Comm., 33 pg., 43 maps.

13 Lucente F.P., Chiarabba C., Cimini G.B., Giardini D.; 1999: Tomographic constraints on the geodynamics evolution of the Italian region. Journ. of Geoph. Res., 104, 89, Mazzotti A.P., Stucchi E., Fradelizio G.L., Zanzi L., Scandone P.; 2000: Seismic exploration in complex terrains: A processing experience in the Southern Apennines. Geophysics, 65 n.5, Morelli C.; 1993: Risultati di 31 anni ( ) di DSS e 7 anni ( ) di CROP in Italia. Atti XII Convegno GNGTS, Roma CNR, 24/ , Morelli C.; 1999: Analisi integrata di dati geofisici e geologici per l'interpretazione di faglie sismogenetiche. Atti XVIII Convegno GNGTS, Roma CNR, 09/ ; Mostardini F., Merlini S.; 1986: Appennino centro-meridionale: sezioni geologiche e proposta di modello strutturale. AGIP, 73 Congr. Soc. Geol. Ital., Roma. Nicolich, R., Dal Piaz G.V.; 1991: Isobate della Moho in Italia. In: "Structural model of Italy", 6 fogli 1: , Progetto Finalizzato "Geodinamica" CNR, Roma. Pialli G., Barchi M.R., Minelli G. (Eds.); 1998: Results of the CROP 03 deep seismic reflection profile. Mem. Soc. Geol. It., vol 52, 657 pp. Pieri M., Groppi G.; 1981: Subsurface geological structure of the Po Plain. Pubbl. n. 414, Progetto Finalizzato Geodinamica (CNR), Roma, Pub. 414, Selvaggi G., Amato A.; 1992: Subcrustal earthquakes in the northern Apennines (Italy): Evidence for a still active subduction?. Geophys. Res. Lett., 19,