Scienze della terra

Riassunto: La finalità di questo studio è la caratterizzazione della litosfera sottostante il bacino intracratonico del Paraná. I modelli gravimetrici adottati sono vincolati ai dati geofisici tra i quali quelli sismologici più recenti (Lloyd et al., 2010) e sono corroborati dai modelli petrografici (Bryan & Ernst, 2008). Si offre un approccio che include la comparazione isostatica a quella sismologica al fine di interpretare al meglio la struttura litosferica nell’area del bacino in analisi e di comprendere le variazioni geodinamiche legate alle province geologiche ivi presenti. Il bacino del Paraná (Sud America) è ubicato nella piattaforma stabile del Sud America, ed è circondato da cratoni tra i quali: il cratone amazzonico, il cratone di San Francisco e il Rio de La Plata. La sua genesi in epoca paleozoica è quella di vasto bacino sedimentario, sul quale però durante il Mesozoico (Cretaceo inferiore) si è sviluppata un’intensa attività vulcanica (Capitolo 3). Quest’attività effusiva lo classifica tra le maggiori LIP (Large Igneous Province) mondiali, provincie magmatiche con volume di materiale espulso superiore a 0.1 Mkm3 (Bryan & Ernst, 2008). L’analisi effettuata in questo lavoro è eseguita tramite lo studio del campo gravimetrico da modelli di nuova generazione derivanti dal satellite GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer) e GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). I prodotti gravimetrici satellitari di GOCE possiedono una risoluzione senza precedenti (mezza lunghezza d’onda 80 km): ciò consente di validare i modelli gravimetrici precedenti (280 km, EGM08, Pavlis et al., 2008) che per offrire una maggior dettaglio nelle anomalie integravano ai dati satellitari di GRACE le campagne gravimetriche terrestri, non sempre complete e quindi globalmente precise e di adempire agli indispensabile fini di interpretazione geodinamica. La descrizione dei modelli e la validazione degli stessi sono offerte nel Capitolo 2. I campi potenziali studiati per le principali province geologiche sono illustrati nel Capitolo 5; mentre nel Capitolo 6 si applica la metodologia spettrale sulla seconda derivata verticale del potenziale per discernere le diverse litologie individuate nell’area di studio. L’anomalia di Bouguer calcolata tramite sviluppo in armoniche sferiche viene corretta sia in superficie e in profondità stimando l’effetto di gravità dei sedimenti conosciuti (Capitolo 4) e le conoscenze geofisiche note. Il bacino è composto da: i sedimenti pre-vulcanici paleozoici di spessore pari a circa 3500 m, la Formazione Serra Geral composta principalmente da basalti tholeiitici del cretaceo inferiore (~1500 m di spessore), ed infine i sedimenti post-vulcanici del cretaceo superiore appartenenti al Gruppo Bauru, solo 300 m di spessore (Capitolo 3). Sfruttando i modelli sismologici regionali è stato infine possibile valutare anche il contributo gravimetrico dello spessore crostale stimato con la sismologia. Con questi elementi viene calcolata la Bouguer residua, che è interpretata come anomalia isostatica e quindi correlata alle strutture geologiche locali e regionali. Questo comporta il riconoscimento di una struttura anomala sotto la parte settentrionale del bacino del Paraná comprendente anche parte del settore adiacente Blocco del Guaporé. L’inquadramento a scala maggiore però permette di evidenziare un’area molto più ampia di quanto riconosciuto in prima istanza. Tale anomalia è centrata infatti nel nucleo archeano del cratone amazzonico, di cui quindi il bacino del Paraná risulta solamente il suo braccio più meridionale. In assenza di attività tettonica-magmatica recente (ultima risale 50 Ma) ed in mancanza di grandi anomalie superficiali, tale anomalia positiva potrebbe essere inserita in un contesto regionale e più profondo, rappresentando delle dinamiche di mantello. Infine tramite inversione gravimetrica è stata quantificata numericamente l’anomalia nel bacino di studio utilizzando la geometria semplice di un tronco di cono. La quantità di materiale in presunto underplating che dovrebbe spiegare l’anomalia positiva è compatibile ai modelli petrografici conosciuti. Tali modelli sottolineano come la presenza di un magmatismo noto in superficie rappresenti solo una piccola parte di quello che dovrebbe trovarsi in intrusione: è stato calcolato infatti che il magmatismo superficiale potrebbe rappresentare solo la decima parte di quello associato in profondità.

La domanda alla base di questa ricerca è stata se il metodo della gravimetria satellitare possa essere utilizzato per seguire le unità geologiche anche in luoghi difficilmente accessibili. L’obiettivo di questa ricerca è di verificare se le missioni satellitari di nuova generazione permettano di identificare la più grande delle province ignee della Terra (Bertrand et al., 2013), nota come CAMP (Central Atlantic Magmatic Province) in Africa nord-occidentale. Oltre alle motivazioni scientifiche, una possibile applicazione è l’esplorazione di risorse minerarie e lo sfruttamento di energia geotermica. Tale provincia ignea è una LIP (Large Igneous Province) che si estende in Nord e Sud America, Atlantico, Europa ed Africa (istituita in Marzoli et al. 1999). Essa si è sviluppata a seguito della frammentazione del super-continente Pangea al limite Triassico-Giurassico, ca. 200 Ma fa. A causa probabilmente del riscaldamento globale del mantello e/o dalla convezione dello stesso innescata da dislivelli di blocchi litosferici, dai dicchi-sorgente si produssero i cosiddetti basalti da flusso e si verificò un intenso vulcanismo con imponenti colate laviche tali da suggerire a taluni ricercatori che gli elementi volatili presenti nel magma abbiano contribuito ad aumentare i gas serra con conseguenze nel clima globale e nelle estinzioni di massa. I depositi in esame sono costituiti da lave, tholeiti continentali, doleriti, basalti e gabbri. Ciò che rimane di questa attività vulcanica sono dicchi singoli o in sciami, batoliti, sill, colate laviche e plateau basaltici (nei fondali oceanici). L’Africa nord-occidentale è costituita principalmente da un cratone composto da rocce molto antiche dell’Archeano (3000-2500 Ma). Esso emerge a nord nello scudo Reguibat e, a sud, la dorsale dell’Uomo o del Leone (Lucazeau et al., 1991). Il cratone è circondato dalle zone di geosutura (greenstone e cinture mobili) associate al cosiddetto evento termo-tettonico Pan-Africano, verificatosi ca. 650 Ma fa con l’assemblaggio del continente africano da blocchi crostali più piccoli. Nelle Mauritanidi affiora il basamento ercinico (ca. 350 Ma) mentre negli Atlas e nelle Magrebidi prevalgono rocce più recenti connesse all’orogenesi alpina (0-150 Ma). Al centro del cratone si trova il bacino paleozoico Taoudenni che riempie una vasta area depressa. Tutto il territorio in esame è caratterizzato da una forte presenza di rocce metamorfiche dense e magmatiche di ogni età, con presenza di più di un “punto caldo” che potrebbe essere definito un terreno igneo (Bryan et al. (2008) con più LIP spesso sovrapposte o limitrofe. Mediamente, tutte queste rocce magmatiche e metamorfiche hanno una densità di 3000 kg/m3 (Kröner, 1977 ), maggiore di quella della crosta standard e dei sedimenti. Particolare attenzione è stata dedicata ad un lineamento tettonico noto come Pelusium Megashare System (PMS) che attraversa tutta l’Africa nord-occidentale (Neev et al., 1982) chiaramente visibile in tutte le immagini satellitari di Google Earth ma che è riportato solo in pochissime pubblicazioni. Per la prima volta in questa tesi si ipotizza un collegamento tra la CAMP e PMS. La gravimetria satellitare consente di rilevare variazioni di densità nella crosta terrestre. Ove vi sono rocce più dense, il segnale rilevato (detto anomalia gravimetrica) è positivo e viceversa. La gravimetria da satellite si è rivelata un valido strumento per identificare le aree con surplus di massa. La risposta all’interrogativo iniziale è dunque affermativa anche se, da quanto esposto, risulta difficile o impossibile associare ad un certo segnale positivo una data LIP. L’elaborazione dei segnali è avvenuta partendo dai dati del satellite GOCE (ultima generazione, a un’orbita di 250 km ma già ammarato) e GRACE (obsoleto ma tuttora in orbita a ca. 450 km). I dati utilizzati sono dei modelli del campo di gravità terrestre che contengono i coefficienti di Stokes per lo sviluppo in armoniche sferiche del potenziale. I modelli utilizzati sono l’EGM2008 (comprendente anche dati di terra, con risoluzione massima 10 km se sviluppato al massimo ordine di 2159) e GOCO TIM R4 (con una risoluzione massima di 80 km, la migliore mai ottenuta da dati satellitari globali). Il modello EGM2008 è stato sviluppato fino all’ordine e grado 720 per eliminare dati spuri (Pavlis, 2012) e, in tal modo, ha permesso di raggiungere una risoluzione di ca. 27 km se si considera metà lunghezza d’onda. Dopo il controllo della qualità dei dati, essi sono stati elaborati nel seguente modo, come esposto nei capitoli 2, 3 e 4. Ai dati grezzi sono state applicate tre riduzioni per sottrarre gli effetti di gravità indesiderati che mascherano il segnale cercato più debole. È stato sottratto l’effetto di gravità della topografia, dei sedimenti e dell’interfaccia crosta-mantello (ICM). Partendo dall’anomalia “in aria libera” (FA), è stata quindi ottenuta l’anomalia di Bouguer (BA) e la BA corretta per i sedimenti. Poi, calcolata la Moho (ICM) isostatica, si è prodotto il residuo isostatico corretto per i sedimenti. I campi elaborati sono la gravità gz (espressa in milli Gal, mGal) ed il gradiente Tzz (misurato in Eötvös, E). Sono state usate le risoluzioni di 0.5° e di 0.05°, computati ad una quota di 4000 m s.l. m perché maggiore del più altro rilievo montuoso dell’area. Dopo aver modellato dei casi a geometria semplice (cap. 6) si è passati alla modellizzazione di tre casi reali. I tre siti scelti per l’approfondimento sono: Tindouf (Algeria), Taoudenni (Mali), Timbuktu (Mali). Nel bacino di Tindouf un sill doleritico CAMP è annesso al suo probabile dicco-sorgente reso evidente dalla gravimetria che identifica bene anche una vicina miniera di Ferro. Nel bacino Taoudenni, le due anomalie principali suggeriscono la presenza di cumuliti magmatici spessi una dozzina di chilometri e connessi con la superficie attraverso dicchi obliqui. Il sito presso Timbuktu è trattato nel dettaglio perché al di sotto del vicino lago Faguibine è stata rivelata un’intrusione magmatica lunga ca. 250 km. In superficie vi sono evidenze di magmatismo (per es. fumarole) tali da preoccupare le popolazioni locali (El Abbass et al., 1993). Tra i risultati inaspettati, si ricorda il forte segnale gravimetrico generato dalle peridotiti in Marocco ed un’importante anomalia (80 mGal) nel Grand Erg Occidental (Algeria) al di sotto del Sahara che sembrerebbe essere causata da un corpo denso lungo ca. 600 km.

The area of the present study is the central part of southern Tibet. It consists of two accreted terranes, Lhasa and Himalaya terranes, which today record the deformation history that originated from the processes of collision between the Eurasia and India plates. Our study of the crust/mantle structure in terms of seismic velocity, density, anisotropy and petrologic composition are undoubtedly significant to deepen the understanding of the continent-continent collision and its dynamics. This PhD thesis can be briefly summarized into four parts that are listed in the following. 1) In order to reveal the characteristics of the crust/mantle deformation that has been generated by the Indian/Eurasia collision in the southern Tibet plateau, we study the propagation of Quasi-Love (QL) waves. Our study is based on the results from numerical modeling, which proved that QL is sensitive to lateral variation of seismic anisotropy, rather than heterogeneity and other factors. The results we obtain from processing locally observed seismograms, reveal a West-East variation of crust/mantle deformation in each terrane of the plateau. 2) A 3D density model of central-south Tibet is produced by modeling the Bouguer gravity field using all existing constraints. 3) Integrating seismic velocity and density models of the crust in the Lhasa and Himalaya terranes, we infer crustal composition models in central and southern Tibet. 4) Combining crustal density, velocity and mineralogical composition models, some important issues, such as the Indian slab subduction angle, and the relationship between crustal density and earthquake occurrences are discussed. Some results based on the gravity modeling are summarized as follows: 1) under the constraint of the geometrical structure defined by seismic data, a 3-D density model and Moho interface are proposed for central-south Tibet; 2) the lower crustal density, smaller than 3.2 g/cm3, suggests the absence of eclogite or partial eclogitization due to delamination under the central-south Tibet; 3) seismicity is strong or weak in correspondence of the most negative Bouguer gravity anomaly, so there is not a relationship between them; 4) the composition of the lower crust, determined after the temperature-pressure calibration of seismic P wave velocity, might be one or a mixture of: 1. amphibolite and greenschist facies basalt beneath the Qiangtang terrane; 2. gabbro-norite-troctolite and mafic granulite beneath the Lhasa terrane. When using the data set published by Rudnick & Fountain (1995), the composition of the middle crust turns out to be granulite facies and might be pelitic gneisses. Granulite facies used to be interpreted as residues of partial melting, which coincides with the previous study by Yang et al. (2002) on partial melting in the middle crust. Amphibolite facies are thought to be produced after delamination, when underplating works in the rebound of the lower crust and lithospheric mantle. From the seismology study, I have made the following conclusions: 1) through numerical simulation of surface wave propagation in heterogeneous media, we find that amplitude and polarization of surface wave only change a little when considering heterogeneity and QL waves, generated by surface wave scattering, are caused by lateral variation of anisotropy. 2) QL waves have been identified from the seismograms of selected paths recorded by the Tibetan station CAD, and are utilized to determine the variation of the uppermost mantle anisotropy of the Tibetan plateau. The location of the azimuthal anisotropy gradient is estimated from the group velocities of Rayleigh wave, Love wave and QL wave. We find that a predominant south-north lateral variation of azimuthal anisotropy is located in correspondence of the Tanggula mountain, and a predominant east-west lateral variation of azimuthal anisotropy is found to the north of the Gandese mountain (near 85°E longitude and 30°N latitude) and near the Jinsha river fault (near 85°E longitude and 35°N latitude).

Em geral, verifica-se que as bacias têm um estado isostático anômalo, se for considerada a clássica hipótese isostática que postula que as cargas topográficas e sedimentares são sustentadas pelo espessamento ou afinamento da crosta. Em alguns casos, a alta densidade do material na crosta inferior ou no manto superior tem sido um componente importante na formação das bacias sedimentares de larga escala e na contribuição para o equilíbrio isostático. A maneira mais direta de detectar as anomalias da densidade é pelo estudo do potencial gravitacional e de suas derivadas. A disponibilidade global e a boa resolução dos dados do satélite GOCE, aliadas à disponibilidade de dados de gravimetria terrestre, são ideais para a comparação e classificação das bacias de larga escala, como as bacias sedimentares do Solimões e do Amazonas, no que diz respeito à sua estrutura de densidade litosférica, determinadas por meio de uma modelagem 3D da distribuição de densidades usando as geometrias do embasamento e da descontinuidade de Moho admitidas conhecidas como vínculo inicial. Além disso, por esta técnica pode ser obtido um modelo isostático fisicamente independente do modelo de densidades, bem como outras grandezas associadas ao campo de gravidade como o geóide, a distribuição da anomalia da gravidade e das componentes do tensor gradiente gravimétrico, grandezas importantes para o modelamento e o estudo destas estruturas.