Dottorato in SCIENZE DELLA TERRA

Titolo della tesi: Cross-strike structures in fold-and-thrust belts: tectonic evolution and circulation of fluids

Le catene a pieghe e sovrascorrimenti (fold-and-thrust belts, FTBs) rappresentano la tipica espressione strutturale del raccorciamento crostale nei domini frontali dei cunei orogenici, dove la deformazione è principalmente accomodata da sovrascorrimenti e pieghe orientate perpendicolarmente alla direzione della compressione regionale. La continuità di queste strutture è spesso interrotta lateralmente da strutture trasversali alto pendenti (cross-strike structures, CSS), approssimativamente parallele alla direzione di raccorciamento. Questi elementi ereditano frequentemente strutture pre-orogeniche ed esercitano un controllo di prim’ordine sia sulle modalità di raccorciamento delle catene, segmentando le cinture in domini strutturali distinti, sia sulla migrazione dei fluidi all’interno dei cunei orogenici. Le strutture trasversali possono costituire siti privilegiati per lo sfruttamento geotermico, per la concentrazione di minerali strategici e funzionare sia come trappole strutturali o stratigrafiche sia come zone di fuga per i fluidi. Le CSS comprendono zone trasversali (transverse zones, TZs) alla scala della catena, faglie di trasferimento confinate verticalmente e orizzontalmente da superfici di sovrascorrimento, e faglie trascorrenti formatesi nelle fasi precoci o tardive dell’orogenesi. Questi tipi di strutture differiscono fortemente in termini di dimensioni, geometria e grado di maturità. Sebbene la loro influenza sull’evoluzione strutturale delle FTBs e sul controllo della circolazione dei fluidi al loro interno sia ampiamente riconosciuta, i vincoli temporali sull’attività tettonica delle CSS, la natura dei fluidi che vi circolano e l’architettura dei sistemi di flusso associati restano ancora poco documentati. Questa tesi di dottorato esplora l’evoluzione tettonica e la circolazione dei fluidi associati alle CSS attraverso lo studio di due aree caratterizzate da strutture trasversali opposte in termini di longevità, dimensioni e ruolo tettonico: il Sudalpino Centrale (Central Southern Alps, CSA, Lombardia, Italia) e l’Anticlinale del Monte Conero (Monte Conero Anticline, MCA, Appennino settentrionale, Italia). Le CSA rappresentano la retrocatena delle Alpi, in cui grandi TZs radicate nel basamento si sono originate durante fasi di rifting nel Mesozoico e sono state successivamente riattivate durante il raccorciamento alpino, segmentando la cintura in blocchi strutturali distinti caratterizzati da differenti modalità di raccorciamento. Al contrario, la MCA costituisce l’anticlinale esumata più esterna dell’Appennino settentrionale, tagliata da faglie trascorrenti a limitato rigetto che non modificano in modo significativo lo stile deformativo complessivo dell’orogene alla scala della catena. È stato adottato un approccio multidisciplinare per vincolare l’evoluzione tettonica e l’architettura idraulica delle aree di studio, combinando il rilevamento geologico, la realizzazione di sezioni bilanciate, analisi meso- e microstrutturali, analisi U-Pb su carbonati, analisi di bacino, isotopi stabili (δ¹³C-δ¹⁸O) e isotopi “clumped” (Δ₄₇). I risultati ottenuti nelle CSA mostrano che le principali TZs, come la Linea del Faggio e di Lecco, registrano un’evoluzione polifasica. Le analisi U-Pb e le osservazioni tettono-stratigrafiche rivelano che queste strutture si sono formate durante fasi di rifting mesozoico (nel Ladinico, Norico superiore, Giurassico inferiore) e sono rimaste attive durante tutto l’arco dell’orogenesi alpina, con età radiometriche distribuite su un intervallo temporale superiore a 100 Ma. Questa persistenza temporale sottolinea il ruolo fondamentale delle TZ nell’accomodare la deformazione attraverso molteplici fasi orogeniche. I dati isotopici ricavati da carbonati sin-tettonici indicano che i fluidi circolanti lungo le TZs del CSA derivavano sia da sorgenti profonde che meteoriche, definendo sistemi di circolazione aperti e verticalmente connessi. Le faglie normali invertite, perpendicolari alla direzione di raccorciamento, hanno localizzato la risalita di fluidi caldi, probabilmente migrando lungo zone di faglia eradicate in profondità ed ereditate dal rifting pre-orogenico. Al contrario, i sovrascorrimenti si comportano prevalentemente come sistemi chiusi, dominati da acque di formazione che hanno fortemente interagito con le rocce ospiti; si osservano anche locali risalite di fluidi caldi profondi. Nella MCA, l’integrazione di dati strutturali e geochimici rivela una storia deformativa multifase in cui le faglie trascorrenti con basso rigetto che tagliano l’anticlinale non dislocano in misura sufficiente i livelli stratigrafici argillosi e impermeabili che separano distinti reservoir idrologici da consentire fuga o comunicazione tra essi. Di fatto, le calciti sin-tettoniche sono precipitate principalmente da fluidi in condizioni prossime all’equilibrio termochimico, all’interno di sistemi di circolazione chiusi, compartimentalizzati e scarsamente connessi. Confrontando questi due contesti tettonici, questo studio dimostra che dimensioni, geometrie, eredità e ruoli tettonici delle CSS controllano in modo fondamentale le modalità di raccorciamento, la distribuzione della deformazione e dei fluidi all’interno dei cunei orogenici. Le TZs più longeve e mature si comportano come corridoi per i fluidi permeabili ed efficienti che connettono diversi livelli crostali durante più fasi tettoniche, mentre faglie trascorrenti trasversali poco sviluppate non possiedono la continuità e i rigetti necessari a collegare differenti reservoir idrologici. Nel complesso, i risultati di questa tesi evidenziano l’eccezionale longevità delle TZ, la loro eredità e il loro ruolo fondamentale nel controllo sia dei modi di deformazione sia della circolazione dei fluidi all’interno delle catene a pieghe e sovrascorrimenti. La comprensione di questi processi fornisce indicazioni cruciali sul ruolo delle CSS nel governare gli assetti deformativi e l’architettura idrologica degli orogeni, con implicazioni più ampie per la previsione dei percorsi dei fluidi durante la deformazione, la valutazione della localizzazione dei giacimenti minerari e della sismicità, e la caratterizzazione di serbatoi carbonatici in vista dello sfruttamento delle risorse e dello stoccaggio di CO₂.