FRATTURE E FAGLIE - II

CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE A.A. 2012-2013 Corso di GEOLOGIA STRUTTURALE Docente: Antonio Funedda FRATTURE E FAGLIE - II Elementi di 1 verticale Faglie dirette (o normali) raccorciamento verticale parallelo a 1 ) ed estensione orizzontale (parallela a 3 ) In genere non si ha inversione del principio di polarità stratigrafica, a meno che la faglia non interessi rocce già deformate. Viene considerata anche come un contatto tettonico sottrattivo, in quanto alcuni termini della successione litostratigrafica possono essere elisi dalla faglia. 1

Elementi di Faglie dirette (o normali) Elementi di Faglie dirette (o normali) Effetto apparente di rigetto nel caso di Faglie normali Apparente ripetizione stratigrafica Apparente rigetto orizzontale sinistro Apparente rigetto orizzontale destro Apparente assenza di rigetto 2

Elementi di Aspetto e spostamento nelle Faglie Dirette La forma delle faglie dirette sulla superficie topografica ha un andamento curvilineo, non solo per l'interferenza con la morfologia del terreno, ma anche perché le F. stesse hanno una superficie non piana La forma in profondità può cambiare, al variare dell'immersione del piano di faglia : FAGLIE LISTRICHE. In F. dirette ideali lo spostamento è parallelo alla direzione d'immersione. Se l'orientazione della F. cambia lo spostamento del blocco fagliato a tetto (considerato rigido) potrebbe non essere ovunque parallelo all'immersione. Elementi di FAGLIA LISTRICA 3

Elementi di Aspetto e spostamento nelle Faglie Dirette Lo spostamento può essere rotazionale o non rotazionale: se l'immersione ècostante nella direzione di spostamento e la F. stessa non ruota il blocco mantiene la stessa giacitura In F. listriche la rotazione del blocco a muro (Anticlinale di "roll over") avviene in genere lungo un asse parallelo alla direzione della F. Se la F. cambia inclinazione nella successione a tetto si possono formare sinclinali di rampa nel caso che due segmenti della F. siano uniti da un segmento più inclinato (caso A) o anticlinali se il segmento di collegamento èmeno inclinato (caso B). Spostamento in F. dirette con geometria "Ramp flat" e deformazione caratteristica del blocco a tetto. Elementi di Faglie di crescita (Growth fault) Lo spostamento lungo la superficie della faglia avviene durante la sedimentazione. Lo spessore della successione a tetto è maggiore di quella coeva a muro. 4

Elementi di Misura della estensione associata a faglie dirette In genere è possibile stimare l estensione analizzando la geometria della faglia Estensione => e = (l L)/L Condizioni: 1. Orientazione uniforme 2. Estensione totale uguale alla somma dell'estensione su ogni singola faglia F. non rotazionali Per una singola faglia => L = d cos F. rotazionali Si assume in più che: a) la strato fosse inizialmente orizzontale; b) le F. abbiano in media la stessa orientazione, spaziatura e direzione di movimento. e = (ABf ABi) / AB i => e = d/l (cos +cos 1) d/l = sen /sen => sen ( ) = sen cos + sen cos Estensione e = [sen ( ) / sen ] 1 Associazione strutturale di faglie dirette Sistemi di faglie dirette molto inclinate con senso di movimento opposto individuano blocchi (aree) sollevati (horst) o blocchi abbassati (graben). Graben di decine di km di larghezza e centinaia di km di lunghezza sono detti rift. Caratterizzano aree in estensione. 5

Associazione strutturale di faglie dirette da Fossen, 2010 Modello cinematico della formazione di un Graben (= descrizione dei movimenti che sono avvenuti lungo la faglia) I volumi di roccia interessati da una faglia devono essere conservati, a meno di fenomeni di dissoluzione. Anticlinale di roll over Con superfici di faglia non planari con il procedere dell estensione si avrebbe lo sviluppo di vuoti, che vengono occupati da un abbassamento del tetto con pieghe (anticlinale di roll over) oppure con faglie. 6

Modello cinematico della formazione di un Graben (= descrizione dei movimenti che sono avvenuti lungo la faglia) La rotazione lungo una faglia listrica è accomodata da faglie sintetiche I vuoti creati lungo il contatto di scollamento basale (detachment) possono essere chiusi da faglie antitetiche Un altro modello prevede altre faglie listriche radicate nel contatto di scollamento basale. L inclinazione degli strati aumenta allontanandosi dalla faglia principale nella direzione dello scorrimento I vuoti triangolari (gap) esistono perché ammettiamo un comportamento rigido! Elementi di Estensione alla scala litosferica Durante lo sviluppo di una faglia normale due punti sui due lembi della faglia vengono progressivamente allontanati nella direzione dello scorrimento. Questo fatto però comporta che da qualche parte nel blocco a tetto vi sia una zona in compressione che compensi l estensione o in alternativa che anche il blocco al di sotto del contatto tettonico basale (detachment) si possa estendere 7

Associazione strutturale di faglie dirette Metamorphic core complex da Fossen, 2010 Estensione sin orogenica e collasso orogenico Associazione strutturale di faglie dirette da Fossen, 2010 8

Associazione strutturale di faglie dirette Collasso gravitativo da Fossen, 2010 Elementi di Estensione alla scala litosferica Modello per taglio puro L estensione nella crosta al di sotto del limite fragile duttile avviene per deformazione duttile Modello per taglio semplice Modello di Wernicke & Burchfield L estensione nella crosta al di sotto del limite fragile duttile avviene per deformazione duttile e la faglia termina alla base della litosfera. Il contatto basale èmarcato da una fascia milonitica molto ampia. L immersione delle faglie dirette èin genere sintetica 9

Elementi di Faglie inverse Raccorciamento orizzontale porta a faglie inverse e sovrascorrimenti (è solo differente l inclinazione). Inclinazione Faglie inverse > 30 Sovrascorrimenti (Thrust) < 30 Rapporti di sovrapposizione lungo una faglia inversa Elementi di Faglie inverse 10

Elementi di Faglie inverse Elementi di Faglie inverse Effetto apparente di rigetto nel caso di Faglie inverse Raddoppio tettonico Apparente rigetto orizzontale sinistro Apparente "sottrazione" stratigrafica Apparente rigetto orizzontale destro 11

Elementi di Casi particolari Faglie inverse Non viene rispettata la regola: vecchio su giovane! da Allmendinger Elementi di Rapporti tra pieghe e faglie inverse A. La deformazione non èpiù accomodabile dalla piega e una F. inversa taglia il fianco più inclinato o rovesciato B. Piega formata per propagazione della F.inversa (Fault propagation fold) C. Faglia inversa che si genera da una piega per assottigliamento e lacerazione del fianco rovescio (Piega Faglia). 12

Elementi di Contesto geodinamico Faglie inverse Tipo andino: sovrascorrimenti antitetici (= vergenti verso il retropaese) da Allmendinger Tipo himalayano: sovrascorrimenti sintetici (= vergenti verso l'avanpaese) da Allmendinger Elementi di Sistemi di sovrascorrimenti Terminologia Décollement sovrascorrimento basale, generalmente sovrappone rocce indeformate su un basamento precedentemente deformato. Thick skinned Generalmente intesa quando nei sovrascorrimenti viene coinvolto anche il basamento (tettonica di zoccolo). Thin skinned Generalmente intesa quando nei sovrascorrimenti viene coinvolto solo copertura (tettonica di copertura). Alloctono un volume di roccia che è stato spostato dalla sua area di formazione (bacino o altro) originale. Autoctono un volume di roccia che non èstato spostato rispetto alla sua area di formazione originale. Parautoctono un volume di roccia che èstato spostato dalla sua area di formazione in quantità molto minore rispetto alle rocce circostanti. Klippe blocco isolato di rocce che testimonia l'estensione di una falda a scala maggiore, per cause erosive o legate ad una tettonica successiva. Finestra tettonica area interna ad un'unità alloctona dove affiora l'unità autoctona sottostante il sovrascorrimento. 13

Elementi di Sistemi di sovrascorrimenti Regole principali sulla geometria a "Ramp flat" (Dahlstrom, 1969;1970) Concetti base I sovrascorrimenti: 1) tendono a interessare i terreni più recenti nella direzione di trasporto tettonico. 2) sono paralleli alla stratificazione nei livelli incompetenti e attraversano quelli competenti. 3) sono sempre più recenti procedendo verso la direzione di trasporto tettonico. Queste regole si basano sull'assunto che i sovrascorrimenti interessino una successione sedimentaria suborizzontale e indeformata. Elementi di Sistemi di sovrascorrimenti Il raccorciamento porta progressivamente allo sviluppo di una serie di sovrascorrimenti in sequenza che possono aver due versi di propagazione 1. Verso la zona esterna (non deformata), ed èil caso più comune 2. Verso la zona interna, più raro 14

zona interna zona esterna Sistemi di sovrascorrimenti Esempio di sovrascorrimenti che si propagano verso la zona esterna I sovrascorrimenti interessano la successione a muro propagandosi verso la zona esterna. I duplex sono prodotti per progressivo avanzamento del sovrascorrimento di base (floor thrust) verso il muro ed inglobandone frammenti come scaglie (horse) nel tetto (hanging wall). La quantità di spostamento della scaglia che sovrascorre oltre la sua rampa frontale influenza la geometria del sovrascorrimento di tetto e quindi del sistema. Sistemi di sovrascorrimenti Esempio di sovrascorrimenti che si propagano verso la zona esterna Antiformal stack: Il piegamento è successivo alla formazione di thrust, si hanno se lo spostamento porta il tip di ogni scaglia oltre il punto dove emergerà la rampa successiva. Hinterland dipping duplex: si hanno se il rigetto è relativamente piccolo, rispetto alla lunghezza della rampa. Se è minore o maggiore il sovrascorrimento di tetto avrà una struttura irregolare. 15

Sistemi di sovrascorrimenti Esempio di sovrascorrimenti che si propagano verso la zona esterna Foreland dipping duplex: si hanno se lo spostamento èancora maggiore, e solo la parte più arretrata della scaglia più recente sovrasta il fronte della scaglia in formazione Sistemi di sovrascorrimenti Pieghe legate ai sovrascorrimenti Spesso ai sovrascorrimenti sono associati pieghe asimmetriche con un fianco sub verticale o addirittura rovesciato Spiegazioni proposte dai diversi autori possono essere sintetizzate come segue (Suppe & Medwedeff, 1990): 1) Si formano prima le pieghe BREAK THRUST MODEL 2) Si formano prima i sovrascorrimenti FAULT BEND FOLDING 3) Sovrascorrimenti e pieghe si formano contemporaneamente FAULT PROPAGATION FOLDING BREAK THRUST 16

Sistemi di sovrascorrimenti Pieghe legate ai sovrascorrimenti da Allmendinger Sistemi di sovrascorrimenti Pieghe legate ai sovrascorrimenti differenze Generalmente ammettono una profondità del sovrascorrimento di base minore rispetto alle Faultpropagation folds. Non giustificano anticlinali e sinclinali a muro con fianchi rovesciati. Interpretazione preferibile per aree dove le strutture si possono estendere a gran profondità, dove il raccorciamento è relativamente piccolo e non si può trasferire in strutture adiacenti. da Allmendinger La profondità del sovrascorrimento basale (décollement) dipende dal grado di disarmonia delle pieghe alla base. 17

Published in "Bulletin de la Société Géologique de France" 179(3): 297 314, 2008" Relazioni tra pieghe e faglie (fault-bend e fault-propagation folding) Analisi cinematica e geometrica Per l'interpretazione geometrica di sistemi di thrust e pieghe correlate possono essere fatte alcune assunzioni: Non esistono vuoti come risultato del movimento lungo la faglia. Il passaggio tra la rampa ed il piano (flat) ènetto. Lo spessore ortogonale degli strati nel blocco deformato ècostante. La lunghezza degli strati nel blocco deformato è conservata. Gli strati che non vengono "coinvolti" nel piegamento non si deformano. Inoltre: Il piegamento avviene per flexural slip (piegamento per taglio concentrico). Le pieghe hanno una geometria tipo kink (pieghe coniugate) e sono di tipo simile (classe 2). 18

Relazioni tra pieghe e faglie Analisi cinematica di Fault bend fold da Twiss & Moores, 1992, mod. da Suppe, 1983 Le linee tratteggiate indicano la giacitura se gli strati non fossero deformati = angolo di piegamento della faglia (tra ramp e flat); = angolo di cut-off iniziale; = angolo di cut-off finale; = angolo di interlembo, bisecato dal piano assiale; = angolo di piegamento; 180 La relazione tra questi parametri permette di ricavare la seguente relazione: tg cos sen 0,5 sen sen 0,5 sen sen sen0,5 Se il piano è orizzontale e quindi: sen tg tg 2 cos Relazioni tra pieghe e faglie Sviluppo di una fault bend fold con un'unica rampa Con il primo incremento di spostamento lungo la faglia si formano due pieghe tipo kink (coniugate) in prossimità del passaggio tra la rampa ed il piano (A' A e B' B). I piani assiali A' e B' sono fissi nei punti X' e Y' rispetto al tetto (HW) e si spostano con il procedere della deformazione. I piani assiali A e B sono fissi rispetto al muro (FW) nei punti X e Y, perciò al procedere della deformazione il blocco a tetto migra attraverso questi piani assiali e la zona deformata delle pieghe coniugate aumenta. Quando il punto Y' a tetto, a cui è attaccato il piano assiale B', raggiunge il punto X nella parte più alta della rampa, la piega raggiunge la sua ampiezza massima, il piano assiale B' diventa fisso al punto X e il piano assiale A diventa fisso al punto Y' a tetto. L'ulteriore spostamento lungo al faglia comporta che i piani assiali A e A' sono ora fissi rispetto al tetto (HW) e si muovono con esso, mentre i piani assiali B e B' sono ora fissi sono ora fissi rispetto al muro (FW) nei punti dove la rampa passa al piano. Il materiale èsottoposto a deformazione per taglio quando attraversa il piano assiale B'. (da Woodward et al., 1986) 19

Quando la faglia ruota verso l'alto dalla zona piana originando una rampa, si formano una coppia di pieghe coniugate con piani assiali A' A e B' B. Il piano assiale (p.a.) A' termina all'estremità della faglia, ma non è parallelo alla rampa, perciò si sposta con la propagazione della faglia stessa. Lo spostamento viene accomodato dall'allungamento del fianco della piega coniugata (distanza tra A e A'). Il p.a. B rimane ancorato al muro (FW) nel punto di passaggio tra il piano e la rampa e quindi il materiale migra attraversando B. Il p.a. B' interseca il p.a. A nello stello livello in cui si blocca la faglia. Al di sotto di questo livello il piegamento ècompletato e ogni ulteriore deformazione èassorbita dallo spostamento lungo la rampa. I p.a. A e B' si muovono attraverso il materiale man mano che la faglia si propaga, ma il p.a. formato dalla loro unione, rimane fisso al tetto (HW) e si sposta con esso. Quando il piegamento risulta impossibile, la faglia si può propagare tra A e A'. Se taglia A' a muro si può formare una sinclinale chiusa, talvolta confusa per una "piega di trascinamento" (drag fold). Relazioni tra pieghe e faglie Sviluppo di una fault propagation fold con un'unica rampa (da Woodward et al., 1986) Sistemi di sovrascorrimenti Geometria di sviluppo e cinematica nel retropaese: Ipotesi A: lo spostamento nella zona di thrust e pieghe ècompensato da una zona di estensione con faglie listriche dirette Ipotesi B: Il basamento di deforma non solo per sovrascorrimenti ma anche per deformazione duttile. La zona di thrust e pieghe èdovuta al collasso del cuneo orogenico nella zona assiale della catena. Il thrust basale si immrge in una zona di radice (root zone) Ipotesi C: Il raccorciamento e la compressione sono legati alla subduzione che costituirebbe il thrust basale 20

Misura dello spostamento lungo un sovrascorrimento Direzione e senso dello spostamento: In genere è perpendicolare alla direzione dei sovrascorrimenti (se l entità dello spostamento è costante). I sovrascorrimenti tagliano la successione stratigrafica verso i terreni più giovani. La direzione è determinabile dalle finestre tettoniche e dai klippe. Misura dello spostamento lungo un sovrascorrimento Misura del raccorciamento in una Faglia inversa o sovrascorrimento Nel caso di una singola faglia il raccorciamento L è legato al rigetto d e all'inclinazione della faglia. 21

Misura dello spostamento lungo un sovrascorrimento SCHEMA TETTONICO E PROFILO SCHEMATICO DEL BASAMENTO ERCINICO DELLA SARDEGNA SE da Carmignani et al., 2001 Sovrascorrimenti in panorama, in carta ed in profilo Sovrascorrimento di Orbai (Sulcis settentrionale) da Funedda et al., in stampa 22

Faglie trascorrenti 1 e 2 orizzontale, 3 verticale (direzione di non deformazione nel modello dinamico di Anderson) Vengono definite destre o sinistre a seconda della direzione di movimento del blocco opposto a quello dove è posizionato l'osservatore (è una definizione non ambigua, qualsiasi blocco si prenda in considerazione) Effetto apparente di rigetto nel caso di Faglie trascorrenti Il punto di osservazione per meglio determinarle è perpendicolarmente al vettore di spostamento e quindi dall'alto. Faglie trascorrenti Un problema di nomenclatura internazionale Tettonica trascorrente = Strike slip tectonics Strike slip => comprende le categorie delle: Transform faults e Transcurrent faults => due diversi contesti geodinamici. TANSFORM FAULT = F. Trasformi s. l.: delimitano i margini di placche litosferiche (margini di tipo differente rispetto a quelli convergenti e divergenti, definizione di Tuzo Wilson, 1960). TRANSCURRENT FAULT = F. Trascorrenti: interessano soprattutto la crosta. Il termine wrench èspesso usato come sinonimo di strike slip, ma in realtà è nato come indicativo di faglie che interessano sia un basamento cristallino che la copertura sedimentaria (sensu Wilcox et al., 1973). 23

Faglie trascorrenti Diversi contesti geodinamici da Sylvester, 1988 Alcune faglie costituiscono un margine di placca anche in contesto litosferico continentale: èil caso di: Faglia di San Andreas (California), Alpin Fault (Nuova Zelanda), Faglia Nord Anatolica (Turchia). Faglie tipicamente intra continentali (all'interno di una placca) sono: Faglia dell'altyn Tahg (Tibet), Linea Insubrica (Alpi italo svizzere), Garlock Fault (Nevada), Faglia delle Cévennes (Francia) Faglia di Nuoro (Sardegna) F. Trasformi s.l. (margini di placca) da Allmendinger Faglie trasformi F. Trasformi s.s. (dislocano le dorsali oceaniche) Le differenze tra F. Trascorrenti e F. Trasformi: geometrica: la posizione dei punti finali (tip point); cinematica: come varia il rigetto rispetto la lunghezza; temporale: come evolve la faglia nel tempo. F. trascorrente F. trasforme Geometrica: una F. trasforme nelle sue terminazioni incontra altre strutture, compressive o estensionali ( ad es. margini divergenti). da Fossen, 2010 24

Rigetto lungo una faglia trasforme: può essere superiore alla sua lunghezza Faglie trascorrenti Sviluppo di una faglia trascorrente: Rigetto lungo una faglia trascorrente: diminuisce dai tratti più vecchi a quelli più giovani da Van Der Pluijm & Marshah, 2004 Faglie trascorrenti minori Tear Fault (es. Regione del Giura Svizzera) in genere sono ortogonali all orientazione della catena e accomodano la differente dislocazione nelle falde di ricoprimento. da Fossen, 2010 da Fossen, 2010 Faglie di Trasferimento trasferiscono il movimento da una struttura all'altra, sia essa una piega o una faglia, o un sistema di faglie 25

Caratteristiche principali delle Faglie trascorrenti 1) Direzione di spostamento orizzontale dominante 2) Giacitura in genere subverticale 3) Grande continuità di evidenze topografiche 4) Presenza di numerose elementi strutturali legati ad una fascia di trascorrenza (esperimento di Riedel) 5) Contemporaneità di strutture distensive ed compressive 6) Disposizione en echelon delle strutture associate 7) Concentrazione in una zona ristretta della deformazione Caratteristiche principali Faglie trascorrenti 2) Giacitura in genere subverticale da Harding, 1985 26

Caratteristiche principali Faglie trascorrenti 3) Grande continuità di evidenze topografiche da Sylvester, 1988 Caratteristiche principali Faglie trascorrenti Fratture R e R 4) Presenza di numerose elementi strutturali legati ad una fascia di trascorrenza (esperimento di Riedel) Pieghe Faglie normali da Allmendinger da Sylvester, 1988 Faglie inverse Tutte le strutture insieme 5) Contemporaneità di strutture distensive e compressive 6) Disposizione en echelon delle strutture associate 27

Caratteristiche principali Faglie trascorrenti da Fossen, 2010 Caratteristiche principali Faglie trascorrenti 6) Formazione di pieghe disposte en echelon Zona trascorrente destra Zona trascorrente sinistra Generalmente mostrano una rotazione verso la zona di taglio principale con il progredire della deformazione. Nelle fasi finali tendono a essere distrutte dalle strutture fragili. da Sylvester, 1988 28

Caratteristiche principali Faglie trascorrenti 6) Disposizione en echelon delle strutture associate Caratteristiche principali Faglie trascorrenti 7) Concentrazione in una zona ristretta della deformazione Si ha un fenomeno di concentrazione della deformazione lungo al Faglia principale per progressivo indebolimento della zona dove si sviluppano le fratture e le pieghe durante gli stadi iniziali della trascorrenza 29

Transpressioni e transtensioni Si verificano quando al movimento trascorrente si aggiunge una componente convergente o divergentedovuta a: variazioni del contesto geodinamico (es.:convergenza obliqua tra le placche); variazioni locali dell orientazione della faglia (curvature: restraining e releasing) Regime transtensivo prevalenza di strutture estensionali In sezione verticale: strutture a fiore negative Regime transpressivo prevalenza di strutture compressive In sezione verticale: strutture a fiore positive Transpressioni e transtensioni da Fossen, 2011 30

Transpressioni e transtensioni da Fossen, 2010 Elementi di Bacini Transtensivi Elevato spessore dei sedimenti per migrazione dei depocentri in direzione opposta allo spostamento della faglia verso l'ara sorgente (non misurato quindi sulla verticale al centro del bacino, ma misurato come nel disegno a fianco). Vista perpendicolare alla faglia (Ridge Basin, Nevada) da Crowell, 1982 31

Elementi di Bacini Transtensivi Rapporto elevato tra lunghezza e larghezza (almeno 3:1 nei bacini giovani). da Hempton & Dunne, 1984 Bacino di Erzincan, Turchia, lungo la faglia Nord Anatolica Sedimentazione influenzata dai margini di faglia attivi ai bordi e di ambiente lacustre o poco profondo al centro. Facies sedimentarie disposte in facies allungate secondo la direzione di trascorrenza. Presenza di numerose discordanze Presenza di attività magmatica Elementi di Bacini Transtensivi Un esempio in Sardegna: Bacino transtensivo di Chilivani Berchidda 32

Elementi di Bacini Transtensivi Un esempio in Sardegna: Bacino transtensivo di Chilivani Berchidda Rappresentazione schematica in 3D del Bacino di Chilivani Berchidda (da Oggiano et al., 1995) A) Transtensione (secondo Sanderson & Marchini, 1984); B) Schema strutturale della struttura transtensiva terziaria del Bacino C.B. Elementi di Transpressioni Un esempio in Sardegna: Transpressione Terziaria del Monte Albo 33

Elementi di Transpressioni Un esempio in Sardegna: Transpressione Terziaria del Monte Albo 1 2 da Carmignani et al., 1992, 1) Carta geologico strutturale schematica del M. Albo. 2) Schema sinottico: A) Trascorrenza pura; B) Transpressione; C) Schema strutturale e modello della struttura transpressiva del M. Albo Elementi di Transpressioni Un esempio in Sardegna: Transpressione Terziaria del Monte Albo da Carmignani et al., 1992, 34

Elementi di Esempi di aree soggette a tettonica trascorrente Bassa California: Faglia di San Andreas e zona di restraining lungo la curvatura sinistra ( left bending ). Elementi di Esempi di aree soggette a tettonica trascorrente Medio oriente : Faglia trascorrenti peri arabiche. Tettonica di estrusione del blocco anatolico a causa del movimento verso N della placca arabica. 35

Elementi di Esempi di aree soggette a tettonica trascorrente Catena Himalayana: escape tectonics del blocco tibetano a causa della indentazione verso N della placca indiana. da Fossen, 2010 Elementi di Tettonica trascorrente Modellizzazione in laboratorio della tettonica di indentazione. a, b e c: senza aree oceaniche libere. d, e e f: con area oceanica libera e conseguente escape tectonics, 1992 da Tapponnier, 1977 36