XXIII Ciclo di Dottorato in Geofisica Università di Bologna. Corso di: Paleomagnetismo Prof. Sagnotti

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1 XXIII Ciclo di Dottorato in Geofisica Università di Bologna Corso di: Paleomagnetismo Prof. Sagnotti Tectonic evolution of arcuate mountain belts on top of a retreating subduction slab: the example of the Calabrian Arc Cifelli F., Mattei M., Rossetti F. (2007). J. Geophys. Res., 112, B09101, doi: 1029/2006JB Dottorandi: Paola Baccheschi, Pamela Roselli, Christodoulos Kyriakopoulos 1

2 INTRODUZIONE In questa pubblicazione viene presentata un interpretazione dell evoluzione tettonica dell Arco Calabro settentrionale attraverso l analisi paleomagnetica dei depositi del Miocene Superiore-Pleistocene medio del bacino estensionale del Crati. L integrazione dei nuovi dati paleomagnetici, presentati in questo lavoro, con quelli già disponibili per l area di studio contribuiscono a comprendere meglio la tettonica neogenica di questo settore del Mediterraneo strettamente collegata al sistema di subduzione ionico. L'evoluzione geodinamica del Mediterraneo è, infatti, alquanto complessa ed è strettamente connessa al succedersi di più fasi tettoniche legate al moto relativo della placca Europea e quella Africana. Il sistema bacino di retroarco tirrenico-arco Calabro è parte del complesso contatto tettonico tra queste due macroplacche. Sebbene il movimento N-S tra Africa ed Europa sia stato invocato come il principale processo geodinamico nell area mediterranea (Wortel e Spakman, 2000), la presenza di bacini con tettonica distensiva E-W, come il Mar Tirreno, accanto a strutture a tettonica compressiva, come l Arco Calabro, implicano l esistenza di forze indipendenti dalla collisione tra la placca europea e quella africana (Jolivet e Faccenna, 2000). Nei margini convergenti attivi, infatti, si ritiene che il principale processo responsabile della formazione degli archi sia il movimento retrogrado dello slab (es.: Schellart e Lister, 2004). Numerosi autori (Gueguen et al., 1998; Faccenna et al., 2001, 2005; Carminati et al., 1998a,b) spiegano, infatti, l assetto geodinamico dell Italia Meridionale come il risultato del movimento verso SE della placca ionica in subduzione verso NW. L arretramento dello slab sarebbe quindi responsabile dell apertura del bacino di retroarco tirrenico e della catena arcuata dell Arco Calabro. Un notevole contributo alla comprensione dell evoluzione geodinamica e tettonica del sistema di subduzione ionico è fornito dai dati paleomagnetici, che delineano un assetto geodinamico dell Italia Meridionale costituito da distinte unità tettoniche soggette a movimenti differenziali strettamente collegati con lo sviluppo di catene montuose arcuate, come l Arco Calabro, e bacini estensionali, come il Tirreno Meridionale. I processi geologici nei margini convergenti attivi possono, infatti, determinare rotazioni intorno ad assi verticali di blocchi crostali trasportati passivamente dalla placca in subduzione in zone di convergenza obliqua. Le tecniche paleomagnetiche consentono, quindi, di analizzare la rotazione dei blocchi nella fascia di deformazione tra due placche in movimento obliquo rispetto all orientazione del margine stesso. 2

3 Data la possibilità di quantificare l'entità ed il verso di queste rotazioni, il paleomagnetismo ha di fatto contribuito notevolmente a formulare possibili modelli cinematici dei sistemi orogenici arcuati. La relazione esistente tra i cambiamenti nell assetto strutturale e la rotazione dei blocchi crostali lungo assi verticali consente, infatti, di distinguere se la forma arcuata di una catena è una caratteristica primaria o secondaria. Gli archi primari presentano la forma ad arco fin dal momento della loro genesi e tale curvatura rimane costante anche a seguito di processi deformativi successivi. Viceversa, sono definiti oroclini (es.: Marshak, 1988) quelle catene montuose che in origine sono rettilinee ed acquisiscono la forma arcuata solo a seguito di successive fasi deformative. Un oroclino è pertanto caratterizzato da rotazioni differenziali lungo assi verticali. Tra questi due tipi di evoluzione strutturale delle catene montuose arcuate, esiste una categoria intermedia che comprende sia gli orogeni che acquisiscono la forma arcuata durante processi deformativi progressivi, sia catene originariamente curve che incrementano la loro curvatura durante una successiva fase deformativa (Weil and Sussman, 2004). Questo ultimo tipo descrive la formazione della maggior parte dei sistemi orogenici arcuati antichi e recenti. Gli studi di paleomagnetismo eseguiti nell Italia Meridionale mostrano una chiara correlazione tra le variazioni nelle declinazioni paleomagnetiche e le variazioni nell assetto strutturale dell Arco Calabro suggerendo che la sua curvatura è una caratteristica secondaria legata a due differenti rotazioni: antioraria nell Appennino Meridionale e oraria in Calabria-Sicilia-Maghrebidi. La struttura ad arco è evidenziata anche dalla variazione nella direzione degli assi delle pieghe: queste hanno direzione da NW-SE con vergenza a NE nell Appennino Meridionale a direzione E-W con vergenza verso S in Sicilia. Il netto cambiamento delle direzioni paleomagnetiche avviene in una ristretta area localizzata nella zona di transizione tra l Appennino Meridionale e la Calabria, ossia nel bacino estensionale del Crati. Esso rappresenta il confine tra due zone caratterizzate da opposta rotazione: l Appennino Meridionale, contraddistinto da rotazione antioraria, e la Calabria e la Sicilia, che ruotarono invece in senso orario. Il bacino del Crati è prevalentemente un half-graben riempito da sedimenti che vanno dal Miocene fino al Pleistocene ed il cui spessore aumenta verso i settori settentrionali. L assetto strutturale del bacino è stato recentemente descritto da Cifelli et al. (2007) ed è caratterizzato da una rotazione oraria di circa nei settori centrali e meridionali, mentre il settore settentrionale è organizzato in blocchi a piccola scala bordati da faglie che hanno 3

4 ruotato indipendentemente. Le indagini paleomagnetiche eseguite su campioni prelevati nel bacino del Crati indicano che il passaggio dall Appennino Meridionale alla Calabria avviene grazie all accomodamento di blocchi crostali bordati da faglie e soggetti a rotazioni opposte lungo assi verticali. Tecniche di laboratorio Le analisi di laboratorio comprendono diverse tecniche il cui scopo è quello di analizzare la magnetizzazione naturale rimanente (NRM) necessaria per ricavare le direzioni del campo magnetico registrato dalla roccia. La NRM è un vettore risultante di più componenti acquisite in tempi diversi durante la storia geologica della roccia. Al momento della sua formazione, ogni roccia, sedimentaria o magmatica, può acquisire una NRM che rappresenta la magnetizzazione primaria. Successivamente la stessa roccia può acquisire magnetizzazioni rimanenti secondarie che possono essere di natura chimica (CRM), viscosa (VRM) o isoterma (IRM) dovuta all effetto dei fulmini. Le prove di laboratorio consistono nell individuare, separare ed analizzare le diverse componenti della NRM di un numero significativo di campioni prelevati sul terreno. In particolare, si cerca di risalire alla magnetizzazione caratteristica (ChRM) che, se primaria, consente di ricavare la direzione del campo magnetico registrato dalla roccia al momento della sua formazione. La procedura per analizzare e isolare le componenti primaria e secondaria della NRM si basa sulla diversa stabilità delle singole componenti di magnetizzazione e consiste nello smagnetizzare il campione per tappe e successivamente misurare la magnetizzazione rimanente a ciascuna tappa di smagnetizzazione. Esistono due metodi: la smagnetizzazione termica (TH) e la smagnetizzazione con campo magnetico alternato (AF). La smagnetizzazione termica viene effettuata per tappe riscaldando, e raffreddando, il campione ad intervalli crescenti di temperatura. L incremento costante di temperatura permette di rimuovere progressivamente i domini magnetici con più basse temperature di blocco (ossia la temperatura a cui un minerale ferromagnetico diventa superparamagnetico) Nel caso della smagnetizzazione per campo magnetico alternato, invece, il campione viene sottoposto ad impulsi via via crescenti di campo magnetico alternato, che da un valore di picco decresce nel tempo. Questa tecnica opera una progressiva eliminazione delle componenti magnetiche a più bassa coercitività fino a rimuovere completamente la magnetizzazione rimanente del campione. La coercitività è 4

5 l intensità del campo magnetico inverso che è necessario applicare ad un materiale per annullare la sua magnetizzazione dopo che questa ha raggiunto il suo valore di saturazione (nel caso di minerali a bassa coercitività), ossia il massimo valore assoluto che la magnetizzazione di un materiale può raggiungere quando viene sottoposto ad un campo magnetico esterno. Al termine dell operazione di smagnetizzazione, i valori registrati ad ogni tappa vengono proiettati su proiezioni ortogonali, detti diagrammi di Zijderveld, con i quali viene visualizzata contemporaneamente la proiezione dei vettori di magnetizzazione sul piano orizzontale (da cui si ricava la declinazione) e su quello verticale (da cui si ottiene l inclinazione). Nel presente lavoro, la NRM di ciascun campione è stata misurata sia mediante la tecnica TH che la tecnica AF. Di 51 campioni presi nel bacino del Crati, 31 sono stati prelevati in depositi miocenici, 6 in depositi pliocenici e 14 in depositi pleistocenici. Per ogni sito sono stati prelevati dei campioni, detti pilota, che sono stati smagnetizzati sia termicamente, sia con campo magnetico alternato: questo ha permesso di stabilire quale potesse essere, per ciascun sito, la più efficace tecnica di smagnetizzazione. Nella maggior parte dei campioni smagnetizzati mediante la tecnica AF, la componente viscosa è stata rimossa nell intervallo mt, mentre la magnetizzazione caratteristica è stata rimossa tra 60 e 80 mt. Quando i campioni sono stati smagnetizzati termicamente, la componente viscosa è stata rimossa a circa C e tutti i campioni sono stati smagnetizzati completamente negli intervalli di temperatura tra C o tra C (Figura 1). Figura 1. Diagrammi di smagnetizzazione ottenuti con la tecnica AF (a) e TH (b-f). I cerchi vuoti e pieni rappresentano le proiezioni rispettivamente sul piano verticale e orizzontale. 5

6 I risultati ottenuti con le due tecniche di smagnetizzazione hanno evidenziato che le componenti mineralogiche responsabili della magnetizzazione sono principalmente la magnetite e i solfuri di ferro. Tale risultato è confermato anche dalle analisi che concernono lo studio della mineralogia magnetica, mediante le quali si identificano i minerali portatori della magnetizzazione. Per individuare la mineralogia magnetica dei campioni gli autori utilizzano il metodo di Lowrie (1990), o metodo dei tre assi. Questa tecnica consiste nell applicare ad un campione una IRM artificiale lungo le tre direzioni x, y e z, perpendicolari tra loro. Lungo i tre assi verranno impartiti un campo magnetico maggiore, intermedio e minore. Successivamente il campione viene smagnetizzato termicamente per tappe crescenti di temperatura ed i risultati vengono riportati in un grafico T -A/m che riporta le curve di smagnetizzazione lungo ciascun asse. In questo modo è possibile distinguere le temperature di Curie (oltre la quale il minerale si comporta come paramagnetico) delle differenti componenti mineralogiche contenute nel campione. Seguendo la procedura di Lowrie, gli autori hanno applicato a ciascun campione un campo magnetico massimo (1.7 T), medio (0.6T) e minimo (0.12T) rispettivamente lungo gli assi x, y e z. I risultati di tale analisi evidenziano che la maggior parte dei campioni è costituita da minerali ferromagnetici a bassa coercitività, confermando che la mineralogia magnetica è dominata principalmente da solfuri di ferro e da magnetite (Figura 2). Figura 2. Curve di smagnetizzazione ottenute con il metodo di Lowrie lungo i tre assi x, y e z su campioni pilota. d) campione costituito da solfuri di ferro; e) campione costituito da magnetite; f) campione costituito da solfuri di ferro e magnetite Risultati ottenuti Una volta ottenute le direzioni paleomagnetiche per ogni singolo campione, è stata calcolata la direzione media del sito mediante la statistica di Fisher (Fisher, 1953). I nuovi risultati ottenuti in questo lavoro mostrano un complesso pattern di rotazione 6

7 degli assi verticali dovuto alla presenza, nel bacino del Crati, di più domini a differenti rotazioni ma ciascuno dei quali caratterizzato al suo interno da un pattern uniforme di rotazioni paleomagnetiche. In particolare, viene confermata la natura di zona di transizione del bacino passando dall Appennino Meridionale alla Sicilia. L area di studio è stata suddivisa in quattro settori (Figura 3). I settori mostrano polarità sia normale che inversa sia prima che dopo la correzione tettonica. Per ogni sito è stato effettuato il test della piega che risulta positivo al 99% di confidenza. Questo test si effettua misurando, su materiale campionato in siti localizzati sui fianchi diversi di una piega, le direzioni di una componente della NRM e confrontando il grado di dispersione di tali direzioni prima e dopo la correzione tettonica. Se dopo la correzione tettonica si osserva un miglioramento nella concentrazione dei dati, si può affermare che la magnetizzazione è stata acquisita prima del piegamento, Se, al contrario, si osserva un aumento nella dispersione la magnetizzazione è secondaria e successiva al piegamento. Nei settori settentrionali sono state misurate sia rotazioni in senso orario che antiorario, mostrando forte somiglianza con le direzioni paleomagnetiche osservate nell Appennino Meridionale. Queste direzioni potrebbero essere legate all esistenza di diversi sistemi di faglie a direzioni NW-SE e NE-SW che suddividono questo settore del bacino in piccoli blocchi a differente rotazione. I settori centrale e meridionale del bacino, invece, sono caratterizzati da rotazioni orarie, mostrando lo stesso pattern di rotazioni orarie osservate in Calabria e in Sicilia. I risultati ottenuti in questo studio sono mostrati, insieme con quelli già disponibili per l area, in Figura 4. Le direzioni paleomagnetiche indicano che le rotazioni sono confinate essenzialmente nel cuneo orogenico, mentre la Puglia e l avampaese Ibleo sembrano non aver subito alcuna rotazione. Inoltre, si può osservare che l Appennino Meridionale e la Sicilia mostrano rotazioni opposte e che in entrambe le aree queste sono state di maggior entità rispetto alle zone circostanti. In Sicilia, inoltre, l entità delle rotazioni paleomagnetiche decresce muovendosi dai settori interni verso quelli più esterni della catena orogenica. Il domino Calabro-Peloritano ruotò invece quasi come un blocco rigido durante il suo movimento verso S, incastrandosi tra le due catene orogeniche (Appennino Meridionale e Sicilia-Maghrebidi). 7

8 Figura 3. Mappa strutturale della Calabria Settentrionale e posizione dei siti campionati per le misure paleomagnetiche e relative misure di declinazione paleomagnetica. La disarticolazione tra l Appennino Meridionale e il dominio Calabro-Peloritano avviene in corrispondenza del bacino del Crati attraverso un complicato rapporto tra blocchi bordati da faglie ciascuno dei quali è caratterizzato da differenti rotazioni, come mostrano le direzioni paleomagnetiche. Tale zona rappresenta il bordo nordorientale dello slab in subduzione e separa due zone a differente comportamento: il dominio Calabro-Peloritano contraddistinto da rotazioni orarie e l Appennino Meridionale caratterizzato da rotazioni antiorarie. 8

9 Figura 4. Mappa delle rotazioni paleomagnetiche dell Appennino Meridionale, Arco Calabro e Sicilia. I dati includono sia i risultati ottenuti in questo lavoro, sia quelli già disponibili per l area. Ciascuna freccia rappresenta i risultati calcolati in un singolo sito (frecce piccole) o in seguito a raggruppamento di più siti (frecce spesse). Gli studi paleomagnetici eseguiti nel bacino del Crati hanno fornito un notevole contributo per la comprensione dei complicati rapporti tettonici tra il dominio appenninico e quello calabro. Il pattern delle direzioni paleomagnetiche ha consentito, infatti, agli autori di formulare un possibile modello evolutivo della struttura arcuata dell Arco Calabro. Nei margini attivi la forma ad arco degli orogeni è legata alla presenza di eterogeneità litosferiche laterali nella placca in subduzione. Nell Italia Meridionale, il graduale incremento delle aree soggette a collisione continentale ha ristretto sempre più l area in cui il processo di subduzione è ancora attivo. Attualmente, infatti, la subduzione risulta essere ancora attiva solo in una ristretta fascia posta in corrispondenza dell Arco Calabro. Questa progressiva riduzione e l instaurarsi di zone 9

10 di taglio lungo i due margini dello slab ( in corrispondenza del bacino del Crati e della Sicilia) potrebbero essere considerati come i meccanismi responsabili della distribuzione delle rotazioni crostali e dell attuale curvatura dell Arco Calabro. Bibliografia Carminati, E., Wortel, M. J. R., Spakman, W., Sabadini, R., The role of slab detachment processes in the opening of the western-central Mediterranean basins: some geological and geophysical evidence. Earth Planet. Sci. Lett., 160: Carminati, E., Wortel, M. J. R., Meijer, P. Th., Sabadini, R., The two-stage opening of the western central Mediterranean basins: a forward modeling test to a new evolutionary model. Earth Planet. Sci. Lett., 160: Cifelli F., Rossetti F. e Mattei M The architecture of brittle postorogenic extension: Results from an integrated structural and paleomagnetic study in north Calabria (southern Italy). Geol. Soc. Am. Bull., 119(1/2), Gueguen E., Doglioni C. e Fernandez M On the post-25 Ma geodynamic evolution of the western Mediterranean. Tectonophysics 298, Faccenna, C., Becker, T. W., Lucente, F. P., Jolivet, L., Rossetti, F., History of subduction and back-arc extension in the Central Mediterranean. Geophys. J. Int., 145: Faccenna, C., Civetta, L., D'Antonio, M., Funicello, F., Margheriti, L., Piromallo, C., Constraints on mantle circulation around the deforming Calabrian slab. Geophys. Res. Lett., 32. doi: /2004GL Jolivet L. e Faccenna C Mediterranean extension and the Africa-Eurasia collision. Tectonics 19, Lowrie W Identification of ferromagnetic minerals in a rock by coercivity and unblocking temperature properties. Geophys. Res.Lett., 17, Marshak S Kinematic of orocline and arc formation in thin-skinned orogens. Tectonics 7, Schellart W. P. e Lister G. S Tectonic models for the formation of arc-shaped convergent zones and backarc basins, in Orogenic Curvature: Integrating Paleomagnetic and Structural Analyses, edited by A. J. Sussman and A. B. Weil, Spec. Pap. Geol. Soc. Am., 383,

11 Weil A. e Sussman A. J Classifying curved orogens based on timing relationships between structural development and vertical-axis rotations, in Orogenic Curvature: Integrating Paleomagnetic and Structural Analyses, edited by A. J. Sussman and A. B. Weil, Spec. Pap. Geol. Soc. Am., 383, Wortel M. J. R. and Spackman W Subduction and slab detachment in the Mediterranean-Carpathian region. Science 290,