Commessa n Istituto Referente: Istituti Partecipanti: ISMAR IAMC

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1 Istituto Referente: ISMAR Commessa n Responsabile (proposto) Istituti Partecipanti: ISMAR IAMC Marco Ligi 1 Titolo Progetto: Il sistema terra: interazioni tra terra solida, mare, acque interne, atmosfera e biosfera. Titolo Commessa: Creazione e distruzione della litosfera oceanica. 2 Sommario Le ricerche nell'ambito della presente Commessa sono tutte inserite in un quadro internazionale e hanno lo scopo di contribuire alla conoscenza dei processi che portano alla formazione (in corrispondenza delle dorsali oceaniche) e alla distruzione (lungo le zone di subduzione) di litosfera oceanica. Questi processi costituiscono elementi fondamentali per l'evoluzione del nostro Pianeta. Determinano la distribuzione sulla Terra dei continenti e degli oceani, della sismicita' e del vulcanesimo, delle catene montuose e delle grandi fosse ai margini degli oceani. La litosfera oceanica, e quella parte di litosfera di transizione e continentale, coperta dagli oceani, interessa due terzi del nostro Pianeta, e richiede tecnologie e metodologie di analisi diverse da quelle usate per lo studio delle litosfera continentale in aree emerse. In particolare, le attivita' di ricerca in corso sono rivolte allo studio: della paleo-sismicita' e delle strutture sismogenetiche della litosfera del margine Iberico, del Portogallo e del margine Tirrenico; della transizione da un rift continentale ad uno oceanico (Mar Rosso Settentrionale); all analisi comparata di alcuni sistemi di frattura litosferica da uno stadio embrionale (Mar Rosso) ad uno maturo (Atlantico e oceani peri-antartici); della cinematica e dei meccanismi di deformazione dei sedimenti della placca antartica lungo la fossa del Cile Meridionale e della neo-tettonica del limite di placca Scozia-Antartide. I gruppi del Consiglio Nazionale delle Ricerche attivi su questi temi operano in un contesto che include programmi nazionali (PNRA) ed europei (EUROCORE/EUROMARGINS), collaborazioni con enti della pubblica amministrazione, dell'università e di ricerca nazionali e dei paesi dell' Unione Europea, Stati Uniti, Russia, Marocco, Egitto, Arabia Saudita e Cile. 3 Giustificazione della Commessa rispetto agli obiettivi del Progetto Il Progetto Il Sistema Terra: Interazioni tra Terra Solida, Mare, Acque Interne, Atmosfera e Biosfera si propone di migliorare le conoscenze su alcuni aspetti fondamentali del funzionamento del nostro Pianeta, conoscenze che potranno poi essere utilizzate per regolare lo sviluppo delle attività umane e migliorare la qualità della vita. I processi di formazione della litosfera lungo le dorsali Medio-Oceaniche (flusso di mantello, migrazione ed estrazione di fuso, accrezione crostale) e sua distruzione in corrispondenza delle fosse oceaniche, sono centrali per comprendere la dinamica del mantello terrestre e sono oggetto di ricerche da parte di molti Paesi, con programmi nazionali coordinati da una organizzazione sovranazionale (INTERRIDGE). Gli studi sui processi geostrutturali e magmatici che portano un rift continentale ad uno oceanico e alla successiva formazione di un margine passivo sono inseriti nei programmi internazionali MARGINS (USA) e EUROMARGINS (EU). La conoscenza della dinamica della crosta terrestre in aree sommerse e dei rischi che questa puo` comportare per le aree costiere ed i suoi abitanti (es. maremoti), la conoscenza di risorse inesplorate (es. giacimenti metalliferi), ed il supporto sensu lato a studi ambientali costituiscono solo alcune delle potenzialita` di queste indagini. 4 Obiettivi Definizione litologica e morfo-strutturale delle aree oggetto di studio, mediante campionatura di sedimenti e del fondale roccioso, batimetria multifascio, magnetometria, gravimetria e sismica a riflessione mono e multicanale, per ottenere informazioni geologico-strutturali. I risultati di queste indagini costituiranno vincoli e condizioni al contorno per modelli numerici e concettuali. Studio del Margine Iberico, della paleosismicita` e delle strutture sismogenetiche ad alto potenziale tsunamigenico della litosfera sub-atlantica al largo del Portogallo. Studio del Margine Orientale Tirrenico per l individuazione, la valutazione e la quantificazione dei processi responsabili dell evoluzione strutturale di margini divergenti e del rischio geologico associato nelle relative aree costiere. Studio della transizione da un rift continentale ad uno oceanico nel Mar Rosso Settentrionale. Studio comparativo di alcuni grandi sistemi di frattura litosferica da uno stadio embrionale (Mar Rosso) ad uno stadio maturo (Atlantico ed oceani peri-antartici).

2 Analisi cinematica e comprensione della dinamica del settore di litosfera oceanica in prossimità` del Punto Triplo di Macquarie, Pacifico sud-occidentale. Definizione delle strutture sismogenetiche associate alla dinamica trasforme mediante lo studio di zone di frattura oceanica a grande dislocazione, quali la Andrew Bain nel sud-atlantico, e i risultati forniti da modelli numerici. Studio della cinematica e dei meccanismi di deformazione di un margine attivo lungo la fossa del Cile meridionale. Evidenziare lungo il limite di placca Scozia-Antartide l attivita tettonica neogenica. 5 Programma La Commessa si articola in due Moduli: Modulo 1.2.1: Processi geologici dal vulcanismo alla sismicita che portano alla formazione della crosta terrestre (ISMAR); Modulo 1.2.2: Struttura dei margini tirrenici in Italia Meridionale (IAMC). Modulo (TA-P01-ISMAR-C13): Processi geologici dal vulcanismo alla sismicita, che portano alla formazione della crosta terrestre (Responsabile Marco Ligi) Attività 1 European SeaFloor Observatory Network (Esonet) Completamento di una proposta di sviluppo di una rete di osservatori attorno i margini oceanici europei, dall'artico al Mar Nero, per il monitoraggio su scale temporali delle decine di anni di parametri geofisici, geochimici, biologici, oceanografici con capacità di allarme in casi di rischio sismico e di onde di tsunami. L'attivita' svolta permettera' la localizzazione lungo il margine oceanico europeo dei siti in cui installare gli osservatori. Attività 2 Transition from a continental to an oceanic rift: geology and bio-geochemistry of the Northern Red Sea Con l intento di chiarire gli aspetti tettonici e petrologici dei processi che determinano le prime fasi di messa in posto di litosfera oceanica e la formazione dei margini passivi, quali natura della crosta sottostante le piattaforme continentali, estensione del fondo oceanico, interazioni tra espansione oceanica, estensione crostale, attivita magmatica, meccanismi di rifting e stili di sedimentazione; si e' proposto e realizzato una spedizione oceanografica nell area del Mar Rosso Settentrionale con la nave da ricerca Urania per un periodo complessivo di 32 giorni (27 Dicembre Gennaio 2005). Per ragioni logistiche (tempo nave a disposizione) e politiche (autorizzazioni a svolgere attivita in mare) si e deciso di focalizzare l attivita di ricerca su due delle depressioni piu settentrionali (Conrad ed Oceanographer deeps) per quanto riguarda lo studio bio-geochimico delle brine assiali e su quella piu meridionale della Zona di Transizione (Thetis deep) per quanto riguardo lo studio dei segmenti oceanici ben sviluppati con valle assiale, crosta oceanica e anomalie magnetiche lineari. L attivita svolta in mare ha permesso la definizione morfo-strutturale della depressione Thetis nella sua interezza, mediante un rilievo topografico ad alta risoluzione e riflettivita acustica a mezzo multibeam (RESON SeaBat 8160), congiuntamente ad una copertura sismica a mezzo subbottom profiler (CHIRP II) e magnetometrica; seguita da una fase di campionamento sistematico del fondale basaltico delle strutture assiali e profili sismici multicanale condotti in direzione perpendicolare all asse del bacino. L intento e quello di verificare l ipotesi che l oceanizzazione del Mar Rosso proceda da Sud a Nord. In questo caso la depressione Thetis dovrebbe essere piu evoluta della Nereus piu a Nord. Attività 3 Major Tectonic and Sedimentary Processes in the Portuguese Margins (Matespro) Campagna in mare eseguita nel mese di agosto-settembre 2004 svolta per datare i principali eventi deformativi legati alle sorgenti tettoniche con alto potenziale tsunamigenico. L'attivita' di ricerca svolta in mare consentira' l'individuazione delle aree ad alto potenziale sismico, tsunamigenico e di instabilità gravitativa lungo il margine del Portogallo. Attività 4 - Studio del punto triplo di Macquarie, Pacifico sud-occidentale L attivita di ricerca si propone di studiare la cinematica e la dinamica del settore di litosfera oceanica in prossimita` del punto triplo di Macquarie dove tre grandi placche, quella Pacifica, Antartica e Australiana interagiscono fra loro. La ricerca intende analizzare le strutture di deformazione lungo i margini in prossimita` della giunzione tripla di Macquarie, definendo le caratteristiche dei margini delle placche coinvolte e l'evoluzione di queste nel tempo, partendo dall'attuale configurazione fino al tardo Miocene.

3 L'analisi dei profili sismici a riflessione acquisiti nell'area nel corso di tre campagne geofisiche dall'ogs di Trieste, condotte in ambito PNRA, hanno evidenziato che la lineazione tettonica che separa la placca Pacifica dai segmenti di dorsale della zona di transizione Antartica/Pacifica, interpretati in precedenza come "intratrasform spreding centers", sembra attualmente non attivo come limite di placca. Il limite tra la placca Australiana e la Pacifica dovrebbe essere localizzato in corrispondenza di una delle tracce della zona di frattura formatesi fra gli "intratrasform spreading centers". La posizione della giunzione tripla sarebbe quindi piu' a NE rispetto quella proposta in precedenza. Il progetto Macquarie e` attualmente in attesa di effettuare una spedizione geologico/geofisica nell area di studio, per acquisire dati di morfobatimetria, sismica a riflessione, gravimetria e magnetometria. Attività 5 - Geologia e geofisica dei segmenti di dorsale (AAR e SWIR) al limite della placca antartica, a Sud della giunzione tripla di Bouvet Il concetto di faglia trasforme, introdotto da Wilson nel 1965, definisce uno dei tre tipi di limite che bordano le grandi zolle litosferiche in cui e' suddiviso l'involucro esterno del nostro Pianeta. I limiti trasformi rappresentano margini conservativi dove due placche scivolano l'una a fianco dell' altra muovendosi in direzione opposta. Si osservano comunemente nei bacini oceanici, dove dislocano lateralmente attraverso faglie trasformi l'asse delle dorsali medio-oceaniche, ma sono presenti anche in regione attive dei continenti, dove formano zone complesse di deformazione. I limiti trasformi costitutiscono zone geologicamente attive, caratterizzate da forte attivita' sismica e da intensi movimenti verticali di blocchi litosferici. La ricerca si propone di verificare la dinamica trasforme e la definizione delle strutture sismogenetiche associate mediante un modello che, in aggiunta alla definizione di Wilson, suggerisce, per alcune zone di frattura oceaniche a grande dislocazione, quale la zona di frattura Andrew Bain che disloca la SWIR di oltre 700 km ad Est della giunzione tripla di Bouvet, un nuovo tipo di limite trasforme, in cui la deformazione interessa una zona ampia e complessa, con la formazione di molteplici piani di faglia in analogia alle zone di frattura continentali. La spedizione scientifica nell'area, in cui verranno raccolti campioni di fondo e dati di morfo-batimetria, gravimetria, magnetometria, sismica a riflessione multicanale, verra' condotta durante l'estate australe Attività 6 - Cile Meridionale Il progetto si propone di studiare la cinematica ed i meccanismi di deformazione dei sedimenti della placca antartica lungo la fossa del Cile meridionale attraverso l'interpretazione di dati di sismica multicanale, magnetometria e multibeam acquisiti in ambito PNRA in diverse spedizioni oceanografiche. I risultati attesi sono la formulazione di un modello strutturale che descriva le modalita' di deformazione del complesso di subduzione e l' identificazione dei parametri sia strutturali (tasso di accoppiamento delle placche, frizione basale) sia stratigrafici (spessore e litologia dei sedimenti nelle fossa, tassi di sedimentazione sin-tettonica) che governano i processi di convergenza e i tassi di accrezione. Attività 7 Arco di Scozia Campagna in mare eseguita nel periodo Febbraio - Marzo 2004 per cartografare con l'ausilio di rilievi morfo-batimetrici ad alta risoluzione, il limite di placca Scozia-Antartide. Lo scopo e' quello di evidenziare, lungo il limite di placca Scozia-Antartide, l'attivita' tettonica neogenica con particolare riguardo a quella presente. Modulo (TA-P01-IAMC-C17): Assetto geologico di siti mediterranei ed oceanici e rischi connessi nelle aree costiere (Responsabile: Alfonsa Milia) I principali obiettivi di questo modulo sono l individuazione, la valutazione e la quantificazione dei processi geologici responsabili dell evoluzione strutturale di settori di margini divergenti e del rischio associato a tali processi nelle relative aree costiere. In particolare il modulo si propone: i) l individuazione e l analisi dei processi geologici quali l attività di faglie e vulcanismo associati ai processi di apertura della litosfera continentale in aree del mediterraneo ed al margine orientale dell oceano atlantico; ii) lo studio degli effetti e dei rischi nelle aree costiere associati all attività di faglie ed al vulcanismo. Le metodologie di studio saranno di tipo stratigrafico-strutturali attraverso l acquisizione e l interpretazione di profili sismici a riflessione e carote per lo studio della crosta terrestre, di tipo morfologico attraverso l acquisizione e l interpretazione di dati multibeam, SSS e campionamenti del fondo. Le aree oggetto di studio (Margine Orientale Tirrenico e catena sommersa Horseshoe in Atlantico Orientale) appartengono a contesti geologici e fisiografici molto diversi (bacino di retroarco e limiti di placche litosferiche maggiori), ma presentano alcuni aspetti comuni quali l elevato tasso di deformazione tettonica.

4 Attività 1 Assetto geologico di siti mediterranei Il margine tirrenico è caratterizzato da una tettonica estensionale e/o transtensiva che ha prodotto un importante assottigliamento della crosta continentale fino alla formazione della crosta oceanica nel bacino tirrenico. All estensione sono riconducibili faglie con rigetti superiori ai 1000 m ad alto tasso di dislocazione e un intensa attività vulcanica. In particolare l estensione lungo il margine tirrenico è responsabile della formazione di semi-graben limitati prevalentemente da faglie orientate NW-SE. Lungo il margine campano l attività di tali faglie è essenzialmente riconducibile a due intervalli temporali: uno compreso tra 700 e 400 ka ed uno tardo pleistocenico olocenico. Al secondo periodo di attività delle faglie sono associate numerose eruzioni che hanno portato alla formazione di vulcani monogenici e di numerose unità ignimbritiche diffuse lungo il margine. La presente attività intende meglio comprendere il regime tettonico che ha portato alla formazione del margine tirrenico, la relazione tra attività di faglie ed emissioni vulcaniche. Ricostruzione del sistema di faglie lungo il margine campano-calabro. Individuazione delle unità ignimbritiche nell area marina prospiciente la Piana Campana. Individuazione delle faglie attive prima, durante e dopo le eruzioni ignimbritiche. Attività 2 - Assetto geologico di siti oceanici La catena sommersa detta Horseshoe seamounts (a Ferro di Cavallo ) in Atlantico orientale è disposta lungo un settore del margine trascorrente Azzorre-Gibilterra che separa la placca eurasiatica da quella africana e caratterizzato da elevata sismicità. Gli edifici che costituiscono tale catena (Gorringe, Ampère; Coral Patch, Unicorn, Josephine etc.) ed altri ad essa prossimi (es. Seine, Madeira stessa) sono quasi tutti di origine vulcanica ad eccezione del Banco o dorsale di Gorringe (35 N, 11 W) dove affiorano rocce del mantello suboceanico. La sommità di tale banco che si eleva dalle piane abissali poste a 5000 m raggiunge le poche decine di metri dalla superficie. Ampère: Il seamount Ampère è probabilmente il vulcano più recente dell intera catena e si trova sul ramo sud a 35º N e 12.9º W. La sommità raggiunge i 59 m secondo i rilievi russi (Marova e Yevsyukov, 1987). La sommità è pressoché priva di copertura sedimentaria, anche se sono state osservate tasche di accumuli di sedimenti pelagici intrappolati nelle depressioni del rilievo. Le facies delle vulcanoclastiti e delle colate laviche sembrano indicare ambienti di messa in posto anche subaerei. Ad ovest del terrazzo posto a m separato da una sella morfologica ma più ribassato si rinviene un altro edificio culminante con vari bastioni a quote variabili tra i 300 e i 350 m. Seine: Sia il Seine che l Unicorn coincidono con apparati vulcanici anche di dimensioni considerevoli che risultano dalla risalita di magmi intraplacca, così come nella regione di Madera e dell arcipelago delle Canarie, mentre il Coral Patch, più profondo e dalla forma allungata in senso E-W, potrebbe anche essere fortemente controllato dalla tettonica. Allo stato non risultano dati di dettaglio. Va segnalata la bassa profondità raggiunta dal Seine (-89 m) secondo quanto riportato dalla cartografia inglese. Esplorazione geofisica-geologica preliminare dei seamounts ancora inesplorati o conosciuti con scarso dettaglio. Ricostruzione della subsidenza di natura termica e tettonica che ha interessato i seamounts a seconda della loro natura e confronto con le curve glacio-eustatiche. Individuazione di sistemi di faglie sismogenetiche. Attività 3 Rischi nelle aree costiere I rischi prodotti da eventi eccezionali in ambiente costiero dipendono dal contesto geologico-geomorfologico e dalla tipologia di evento stesso. Nel caso di margini estensionali caratterizzati da vulcanismo attivo come quello campano i rischi sulla costa sono legati soprattutto all attività di faglie ed alla messa in posto di depositi vulcanici oltre che dall instabilità gravitativa sia in ambiente subacqueo che subaereo. Lungo alcuni settori del margine campano le faglie associate all estensione hanno inoltre portato alla formazione di blocchi tiltati con formazione di coste alte e rischi aggiuntivi. L arrivo di grossi volumi di materiali in mare quali quelli associati ai flussi piroclastici o a collassi di settore (con formazione di debris avalanches) sono sicuramente potenziali sorgenti tsunamigeniche. E provato che tali fenomeni sono avvenuti negli ultimi 30 mila anni ripetutamente nel Golfo di Napoli con sorgenti Somma- Vesuvio e Ischia. Allo stesso tempo è accertato che in tempi storici e preistorici il materiale piroclastico eruttato dal Somma- Vesuvio e deposto sul rilievo abbia favorito eventi idrogeologici eccezionali (alluvioni e frane) anche per periodi molto successivi ai fenomeni eruttivi. Le spesse coltri di depositi piroclastici accumulate su ripidi

5 versanti costieri creano, infatti, condizioni di forte instabilità in occasione di eventi piovosi, responsabili della ridistribuzione verso mare di depositi alluvionali. Tali fenomeni se avvengono in aree costiere densamente popolate costituiscono dei rischi. Per la valutazione di tali rischi sono necessari da una parte l individuazione dei livelli marker di tali fenomeni sia nelle aree marine adiacenti alle coste sia lungo le coste, dall altra le analisi storiche per analizzare la periodicità degli eventi. Tra i rischi vanno inclusi gli tsunami prodotti da sorgenti prossime, quelli prodotti da sismicità in campo lontano, quelli associati ai prodotti vulcanici che arrivano a mare in termini di flussi piroclastici e debris avalanches. In tutti i casi la conoscenza della morfologia sommersa ed emersa dell ambiente costiero è funzionale allo studio successivo che riguarda la dinamica di propagazione di flussi prodotti da onde anomale o da eventi eccezionali. Individuazione di livelli marker associati a eventi estremi (tsunami, sismiti, fenomeni alluvionali) nell offshore e in ambiente costiero in base alla stratigrafia fisica. Analisi storica degli eventi individuati. 6 Sviluppo temporale delle attivita nel triennio La scheda si collega al piano triennale E quindi opportuno descrivere sinteticamente come e se l attivita proseguira nei due anni successivi. Modulo 1.2b Attività 1 Attività 2 Attività 3 Attività 4 Attività 5 Attività 6 Attività 7 Modulo 1.2b.2 Attività 1 Attività 2 Attività 3 : ATTIVITA : RELAZIONE CORSO D'OPERA : CONSEGNA RELAZIONE FINALE 7 Risorse dedicate (anno 2005) Risorse interne Risorse esterne Risorse Residue Risorse totali Persone n ISMAR IAMC TOTALE