REGIME DI STRESS NELL APPENNINO TOSCO-EMILIANO: ESISTONO DAVVERO DUE DOMINI DISTINTI?

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1 F. Zolezzi (1), E. Eva (2), G. Ferretti (1), S. Solarino (1) e C. Eva (1) (1) Dipartimento per lo studio del Territorio e delle su Risorse - Univ. Genova, Genova (2) Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia INGV, Roma REGIME DI STRESS NELL APPENNINO TOSCO-EMILIANO: ESISTONO DAVVERO DUE DOMINI DISTINTI? Riassunto. Con il presente lavoro si è analizzato il regime tettonico dell Appennino Tosco-Emiliano. Utilizzando il metodo dei primi arrivi, è stato costruito un dataset di 54 meccanismi focali considerando i principali eventi registrati in tale area dal 1985 al La qualità delle soluzioni ottenute è da considerarsi elevata sia per la densità che per la distribuzione delle polarità osservate sulla sfera focale. Gli errori associati alla localizzazione, inoltre, sono molto limitati soprattutto per gli eventi registrati nel periodo di operatività della rete RSLG (DipTeRis-Genova) ( ). Le soluzioni focali sono state invertite attraverso il metodo di Gephart e Forsyth per definire l orientazione degli assi principali del campo di stress. In particolare l area investigata è stata analizzata nel dettaglio suddividendola in più parti al fine di individuare domini tettonicamente omogenei. Analizzando il settore superficiale, fino ad una profondità di 10 km, le soluzioni focali ottenute sono prevalentemente a carattere transtensivo o distensivo. In questo settore dell Appennino, con il dataset a nostra disposizione, non sembra quindi essere rispettata la classica distinzione tra dominio interno in distensione e dominio esterno in compressione. La presenza di soluzioni compressive e transpressive a profondità superiore a 10 km ha evidenziato una variazione del campo di stress in funzione della profondità. I risultati hanno, quindi, portato a delineare tre volumi caratterizzati da una diversa orientazione ed inclinazione degli assi principali dello stress: un settore superficiale (0-10 km) a carattere transtensivo, un settore intermedio (10-20 km) in transpressione e un settore profondo (oltre 20 km; con evento più profondo a 70 km) in compressione. La coesistenza di questi tre settori a diverso regime tettonico si inquadra in un area dell Appennino Settentrionale molto complessa dal punto di vista strutturale. In particolare l instaurazione di una tettonica distensiva, con rapida apertura del Tirreno (Tortoniano-Pleistocene), in un contesto di convergenza tra Africa ed Europa rimane ancora oggi una questione geodinamicamente aperta. Attualmente sono due i principali modelli geodinamici che vengono proposti per questo settore dell Appennino: subduzione con piano immergente verso W o un processo di rifting. Alla luce dei risultati ottenuti con questo studio la disposizione di una fascia superficiale a carattere transtensivo ed una intermedia a carattere transpressivo potrebbe trovarsi in accordo con entrambi i modelli sopra esposti, ma la presenza della fascia profonda compressiva sembra essere maggiormente in accordo con il modello della subduzione. STRESS REGIME IN THE TOSCO-EMILIANO APENNINES: DO TWO DISTINCT DOMAINS REALLY EXIST? Abstract. The tectonic regime of the Tosco-Emiliano Apennines is investigated by considering the seismic events recorded in the area between 1985 and to 2002 and by computing the focal mechanisms relative to the main events for the period. The quality of the resulting dataset, made of 54 fault plane solutions, is very high either with respect to the number and to the distribution of polarities on the focal sphere. The location associated to the seismic events is of high quality too and characterized by low errors in the focal parameters especially for the most recent earthquakes as a very dense network is operating in the Lunigiana-Garfagnana region (North-Western Apennines) since The computation of the stress regime has been carried out using the methodology proposed by Gephart and Forsyth, that is designed to compute the orientation of the principal stress axes starting from the fault plane solutions provided that the volume under studied could be divided in homogeneous sub-sectors. The results confirmed that a more complicated tectonic setting than simple transition from distensive regime in the inner (Tyrrhenian) and compressive in the outer (Adriatic) domains must exist in this sector of the Northern Apennines. In fact, our findings evidence different stress orientations at different depths. In particular, a transtensive regime is found for the shallow layer down to 10 km of depth. This regime turns to transpressive in the layer km of depth. Although only few events have been recorded for depth greater 20 km, they all show a strong compressive

2 character. The coexistence of transtensive and transpressive regimes would actually satisfy both geodynamic models proposed for the northern Apennines: the W-dipping subduction of the Adriatic microplate under the European plate and a rifting process. The deeper compression, the assessment of which needs more data, would instead favour the hypothesis of the subduction. INTRODUZIONE La struttura attuale dell Appennino settentrionale è il risultato di più processi deformativi. Contemporaneamente alla tettonica compressiva, generata dalla convergenza tra la placca Europea e quella Africana, iniziata nell Oligocene superiore-miocene inferiore, si è instaurata, a partire dal Tortoniano-Pleistocene, una tettonica distensiva, che ha determinato la fase di rifting con apertura del Mar Tirreno. Come conseguenza di questa complessa evoluzione, l Appennino settentrionale viene generalmente diviso in tre province geodinamiche (Reutter, 1981; Royden et al., 1987; Amato et al., 1993): bacino di retro-arco: include il Mar Tirreno e la regione Peri Tirrenica in estensione a partire dal Miocene superiore; catena e sua parte frontale: caratterizzata da un raccorciamento crostale; avampaese: costituito dal bacino sedimentario della Pianura Padana e dal Mar Adriatico sovrastante litosfera continentale. La disomogeneità del campo di stress a cui l intera zona risulta essere soggetta, e in particolare la coesistenza tra le strutture compressive e quelle distensive, ha portato molti autori a proporre diversi modelli geodinamici. Alcune ipotesi prevedono la possibile subduzione, immergente verso W, della litosfera Adriatica con migrazione verso E del sistema bacino di retro-arco/catena/avampaese (Malinverno e Ryan, 1986; Royden at al., 1987; Doglioni, 1991). Altri autori, escludendo il modello della subduzione, propongono un interpretazione che che inquadra l evoluzione del settore esterno della catena (in distensione) nell ambito della tettonica distensiva post collisionale, attribuendo la contemporaneità tra le strutture distensive e quelle compressive ai processi gravitativi dovuti alla risalita del mantello (Locardi e Nicolich, 1992; Decandia et al.1998; Liotta et al., 1998) o a processi isostatici sviluppatisi in seguito ad un assottigliamento crostale (Carmignani et al., 1981). Per poter meglio comprendere le caratteristiche sismotettoniche dell Appennino settentrionale si è scelto di analizzare il regime di stress di quest area attraverso l inversione di un dataset di soluzioni focali. METODO Per questo lavoro si sono calcolati i meccanismi focali dei principali eventi localizzati tra le latitudini di 43 N e 45 N e le longitudini 9 E e 12 E ( ) (Fig. 1). Le soluzioni focali sono state ottenute utilizzando il metodo dei primi arrivi attraverso il programma FPFIT (Reasemberg e Oppenheimer,1985). Quest ultimo si propone di trovare le posizioni dei possibili piani di faglia, dovuti all azione di una doppia coppia di forze, che meglio si adattano alla distribuzione delle polarità dei primi arrivi proiettati sulla sfera focale. Il programma prevede un inversione che è portata a termine attraverso una procedura di minimizzazione della somma normalizzata e pesata delle discrepanze tra i valori teorici e sperimentali dei primi

3 arrivi rispetto ad un dato modello di sorgente. Ogni modello sorgente è definito da tre valori: strike, dip e slip, secondo le convenzioni di Aki e Richards (1980). L inversione delle soluzioni focali per determinare il regime di stress agente nell Appennino nord-occidentale è stata eseguita attraverso il metodo di Gephart e Forsyth (1984), il quale determina le direzioni degli assi principali dello stress σ 1, σ 2 e σ 3 attraverso le orientazioni dei piani di faglia con le relative direzioni dello slip-vector associate ad un certo numero di meccanismi focali di eventi localizzati nell area in esame. Per poter migliorare il calcolo del campo di stress, attraverso la procedura di Gephart e Forsyth (1984), è possibile pesare i meccanismi focali in funzione della loro qualità. Si tengono così in minor considerazione le soluzioni ritenute meno affidabili. In questo caso i meccanismi focali del dataset utilizzato sono stati divisi in due categorie, attribuendo peso 2 alle soluzioni ben vincolate ed affidabili, e peso 1 alle soluzioni più incerte. Con il metodo di Gephart e Forsyth (1984) è molto importante il valore che assume la variabile σ2 - σ1 R= σ3 - σ1, misura della magnitudo relativa, e il valore della variabile di misfit, che, per un singolo meccanismo focale, rappresenta la differenza angolare tra lo slip osservato e quello del modello di stress assunto. Wyss et al. (1992), su base empirica, hanno messo in relazione gli errori associati al calcolo delle soluzioni focali con il valore massimo del misfit accettabile per definire l omogeneità di un dataset. Per esempio nel caso di meccanismi focali con una incertezza media dei piani nodali di circa 10 il criterio di omogeneità prevede un misfit F massimo di 6. Fig. 1 - Rete sismica della Lunigiana e Garfagnana RSLG (DipTeRis Genova). In grigio sono riportate le stazioni fisse, in nero le stazioni temporanee.

4 DATI Considerando i principali eventi verificatisi nell Appennino Tosco-Emiliano dal 1985 al 2002, con magnitudo compresa tra 2.6 e 4.9, si sono ottenuti 54 meccanismi focali. Le soluzioni focali degli eventi registrati dal 1999 al 2002 sono da ritenersi di elevata qualità grazie alla densità di stazioni sismiche utilizzate e, di conseguenza, all ampio numero di polarità osservate. In particolare la presenza della Rete Sismica della Lunigiana-Garfagnana (DipTeRis-Genova), operativa dal 1999, ha permesso una notevole diminuzione degli errori, sia orizzontali che verticali (ERH 5 km ed ERZ 5 km), nella localizzazione degli eventi registrati all interno del network (Solarino et al., 2002). Il miglioramento nella localizzazione ha portato ad ottenere dei meccanismi focali con una variabilità dei piani nodali più limitata (circa ) rispetto al passato. Si è inoltre aumentato il numero delle polarità osservate raccogliendo le forme d onda digitali registrate dalle reti gestite da diversi enti: Dipartimento di Scienze della Terra (DIPTERIS) dell università di Genova (RSLG - RSNI); Servizio Sismico Svizzero (ETH - Zurigo); Réseau National de Surveillance Sismique (Renass) di Strasburgo; Istituto nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) di Roma; Istituto nazionale di Oceanografia e di Geofisica sperimentale - centro ricerche sismologiche (CRS - OGS) di Trieste. Analizzando gli eventi dal 1999 al 2002 non si è tuttavia raggiunto un numero di soluzioni focali sufficiente per poter indagare nel dettaglio il regime tettonico dell area dell Appennino settentrionale studiata; si sono così presi in considerazione i meccanismi focali precedenti al 1999 ( ) contenuti nel database presente presso il DipTeRis di Genova. Le soluzioni sono state selezionate in base al numero di polarità presenti (superiori a 15) ed alla loro distribuzione sulla sfera focale (con gap inferiore agli 80 ). RISULTATI E DISCUSSIONI Come precedentemente accennato, Wyss et al. (1992) hanno dimostrato che, in caso di meccanismi focali, con una indeterminazione di circa 15-20, il regime di stress che governa una data area può essere considerato omogeneo se la soluzione di minimo misfit (F) è inferiore a 8 (F < 8 ). Nel nostro caso il dataset utilizzato è composto da soluzioni focali con un incertezza massima dei piani nodali compresa tra 10 e 15 e si è dunque si è scelto di considerare omogenei i dataset caratterizzati da misfit pari o inferiori a 7. Inizialmente è stata fatta un inversione considerando tutte le 54 soluzioni focali del dataset calcolato per il presente lavoro, ma il misfit elevato (pari a 10.3) indica che l area è soggetta ad un regime di stress non omogeneo (F > 7 ); infatti la distribuzione degli assi principali dello stress è troppo caotica per poter trarre delle conclusioni; troviamo una sovrapposizione degli stress (σ 1 e σ 3 ). Si è cercato, così, una possibile divisione al fine di trovare sottovolumi più omogenei dal punto di vista della disposizione degli stress.

5 In termini spaziali (o areali) il primo approccio è stato fatto considerando la suddivisione proposta da Frepoli ed Amato (1997, 2000), i quali individuano, nell Appennino settentrionale, due dominii distinti, uno interno in distensione ed uno esterno in compressione. Questa suddivisione, con il dataset a nostra disposizione, ha portato però a risultati poco soddisfacenti. Le due aree individuate non possono considerarsi omogenee dato l elevato valore che presenta il misfit; inoltre, in entrambi i settori, le soluzioni dei meccanismi focali hanno quasi tutte caratteristiche trascorrenti o transtensive. Osservazioni nate dall analisi delle carte strutturali della zona hanno portato a dividere ulteriormente l area superficiale sulla base della linea tettonica del Taro (Fig. 2). Se ad est di tale linea tettonica non è stato possibile distinguere con chiara certezza un regime tettonico prevalente a causa del limitato numero di osservazioni presenti, ad ovest della lineazione viene confermato il regime transtensivo dell area, fatta eccezione per un limitato numero di eventi, le cui soluzioni evidenziano un carattere compressivo e trascorrente con componente compressiva. Queste ultime soluzioni sono però localizzate in un area strutturalmente particolare (fronte di accavallamento Appenninico, Fig. 2). Fig. 2 - Soluzioni focali utilizzate per il calcolo del campo di stress per una profondità compresa tra 0-10 km e direzione degli assi principali dello stress ricavati dall inversione per il settore appenninico compreso tra la linea del Taro (linea punteggiata) e la linea Livorno-Sillaro (linea tratteggiata). La linea continua indica la posizione del fronte di accavallamento appenninico. Si sono evidenziati dei domini dal regime di stress ben distinto dividendo la zona considerata in base alla profondità. I limiti di separazione sono stati posti a 10 km e 20 km sulla base delle possibili discontinuità che presenta la distribuzione della sismicità dell area analizzata. In particolare il limite più superficiale è stato posto a 10 km considerando la possibile presenza del marcato riflettore, denominato orizzonte K, che, posto in quest area intorno agli 8-10 km di profondità, sembra separare due settori a diverso comportamento reologico (Liotta et al., 1998).

6 Fig. 3 - Soluzioni focali utilizzate per il calcolo del campo di stress per una profondità compresa tra 0-10 km e direzione degli assi principali dello stress ricavati dall inversione, per l intero settore dell Appennino Tosco-Emiliano. Fig. 4 - Soluzioni focali utilizzate per il calcolo del campo di stress per una profondità compresa tra km Dall inversione di tutte le soluzioni focali degli eventi superficiali (profondità 0-10 km), il regime di stress presenta un carattere transtensivo, i σ risultano ben vincolati con σ 1 orientato NW-SE e σ 3 diretto NE-SW; il misfit = 6.9 risulta essere sufficientemente basso da poter considerare l area omogenea (Fig. 3). Invertendo le soluzioni focali degli eventi a profondità superiore ai 10 km fino a 70 km gli assi principali dello stress risultano sempre ben compatti ma la loro orientazione si inverte rispetto a quella che assumono per il dataset superficiale fino ai 10 km (σ 1 NE-SW e σ 3 NW-SE) e il regime risulta essere transpressivo (Fig. 4).

7 Considerando poi il limite dei 20 km, tra i 10 e i 20 km, il regime tettonico si conferma a carattere transpressivo (Fig. 5), mentre isolando i soli eventi più profondi, oltre i 20 km, anche se il numero di dati non è molto elevato (8 eventi) e causa una certa dispersione dei σ, si evidenzia un possibile regime a carattere compressivo con σ 3 verticale (Fig. 5). Il settore più profondo, inoltre, risulta essere molto omogeneo con un misfit pari a 2.4. a) b) Fig. 5 - Soluzioni focali utilizzate per il calcolo del campo di stress agente nei volumi compresi tra: a) km e b) km. CONCLUSIONI Sulla base dei risultati ottenuti, dato il numero limitato di meccanismi focali compressivi in superficie, non viene confermata la suddivisione dell Appennino Tosco-Emiliano in due domini distinti, uno interno in distensione ed uno esterno in compressione. Viene invece evidenziata una rotazione delle orientazioni degli assi principali dello stress (σ 1 e σ 3 ) oltre che una variazione della loro inclinazione con la profondità. In superficie, fino ai 10 km, il regime di stress è abbastanza omogeneo ed ha carattere transtensivo, con lo stress di massima compressione orientato NW-SE, mentre lo stress di minima compressione è diretto NE-SW. Nella fascia intermedia, tra i 10 km fino all incirca ai 20 km, il regime risulta essere transpressivo ed è caratterizzato da un orientazione degli stress principali che si inverte rispetto al settore sovrastante (σ 1 NE-SW e σ 3 NW-SE). Nel settore più profondo, oltre 20 km, il regime di stress è compressivo con l asse di minimo stress verticale (σ 3 ) e l asse di massimo stress (σ 1 ) orizzontale ed orientato N-S. La disposizione di una fascia superficiale a carattere transtensivo (0-10 km) ed una intermedia a carattere transpressivo (10-20 km), potrebbe trovarsi in accordo sia con il modello che inquadra quest area dell Appennino settentrionale nell ambito di un processo di subduzione della litosfera Adriatica sotto la placca Europea, sia con il modello che prevede una fase di rifting. Data, però, l approfondimento (verso SW) dei meccanismi focali profondi (Fig. 6), anche se limitati numericamente, e data la loro natura compressiva, i risultati mostrati sembrano essere maggiormente in accordo con quei modelli che propongono l esistenza di un piano di subduzione

8 immergente verso W (Zollo et al., 1995; Frepoli ed Amato, ; Bassi et al., 1997; Selvaggi et al., 2001). Alla luce di questi dati il legame tra la presenza della fascia profonda in compressione con la subduzione della placca Adriatica sotto quella Europea è proponibile, ma servirebbero maggiori informazioni ed indagini di dettaglio soprattutto oltre i 20 km di profondità. Fig. 6 - Sezione delle soluzioni focali analizzate tracciata in direzione Appenninica. BIBLIOGRAFIA Aki K. e Richards P. G.; 1980: Quantitative seismology; Theory and Methods. San Francisco, W. H. Freeman, California, pp.932. Amato A., Alessandrini B., Cimini G.B., Frepoli A. e Selvaggi G.; 1993: Active and remnant subducted slabs beneath Italy: evidence from seismic tomography and seismicity. Ann. di Geofis., 36, pp Bassi G., Sabadini R. e Rebaï S.; 1997: Modern tectonic regime in the Tyrrhenian area: observations and models. Geophys. J.,129, pp Carmignani L.,Giglia G., e Kligfield R.; 1981: Nuovi dati sulla zona di taglio ensialico delle Alpi Apuane. Mem. Soc. Geol. It., 21, pp Decandia F.A, Lazzarotto A., Liotta D., Cernobori L. e Nicolich R.; 1998: The CROP 03 Traverse: insights on post collisional evolution of Northern Apennines. Mem. Soc. Geol. It., 52, pp Doglioni C.; 1991: A proposal for the kinematic modelling of W-dipping subduction-possible application to the Tyrrhenian Apennines system. Terra Nova, 3, pp Frepoli A. e Amato A.; 1997: Contemporaneous extension and compression in the Northern Apennines from earthquake fault-plane solution. Geophys. J. Int., 129, pp Frepoli A. e Amato A.; 2000: Spatial variation in stresses in peninsular Italy and Sicily from background seismicity. Tectonoph., 317, pp Gephart J. W. e Forsyth D. W.; 1984: An improved method for determining the regional stress tensor using earthquake focal mechanism data: application to the San Fernando earthquake sequence. J. of Geophys. Res., vol.89, no.b11, pp Liotta D., Cenobi L. e Nicolich R.; 1998: Restricted rifting and its consistence with compressional structures: result from CROP 3 traverse (Northern Apennines, Italy). Terra Nova, 10, pp Locardi E. e Nicolich R.; 1992: Geodinamica del Tirreno e dell Appennino centro-meridionale: la nuova carta della Moho. Mem. Soc. Geo. Ital., 41, pp Malinverno A. e Ryan W. B. F.; 1986: Extension in the Tyrrhenian Sea and shortening in the Apennines as result of arc migration driven by sinking of the lithosphere. Tectonics, v.5, n 2, pp Reasemberg P.A. e Oppenheimer D.H.; 1985: FPFIT: Fortran computer program for calculating and displaying earthquakes fault-plane solutions. Open File, U.S. Geological Survey Report, Reutter K. J.; 1981: A trench forearc model of the Northern Apennines, in Sedimentary Basin of Mediterranean Margins. F. C. Wezel ed., CNR Italian Project of Oceanography, Tectonoprint, pp

9 Royden L., Patacca E. e Scandone P.; 1987: Segmentation and configuration of subducted lithosphere in Italy: An important control on thrust-belt and foredeep-basin evolution. Geology, v.5, pp Selvaggi G., Ferulano F., Di Bona M., Frepoli A., Azzara R., Basili A., Chiarabba C., Ciaccio M. G., Di Luccio F., lucente F. P., Margheriti L. e Nostro C.; 2001: The M w 5.4 Reggio Emilia 1996 earthquake: active compressional tectonic in the Po Plain, Italy. Geophys. J. Int., 144, pp Solarino S., Ferretti G., ed Eva C.; 2002: Seismicity of Garfagnana-Lunigiana (Tuscany, Italy) as recorded by a network of semi-broad-band instruments. Journal of Seismology, 6, pp Wyss M., Liang B., Tanigawa W. R. e Wu X.; 1992: Comparison of orientations of stress and strain tensor based on fault plane solutions in Kaoiki Hawaii. J. Geophys. Res., 97, pp Zollo A., De Matteis R., Capuano P., Ferulano F. e Iannaccone G.; 1995: Constraints on the shallow crustal model of the Northern Apennines (Italy) from the analysis of microearthquake seismic records. Geophys. J. Int., 120, pp

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