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“Dottorato Regionale in Scienze della Terra”
Programma Pegaso - XXX Ciclo di Dottorato
"ASSETTO STRUTTURALE E TASSI DI DEFORMAZIONE LUNGO IL MARGINE
ESTERNO DELL'APPENNINO SETTENTRIONALE, CON IMPLICAZIONI PER LA
MIGRAZIONE DI FLUIDI PROFONDI"
“Structural setting and deformation rates along the external margin of the Northern Apennines,
with implications for the deep fluids migration”.
Daniele Maestrelli
Tutore: Prof. Federico Sani
Co-tutori: Dr Marco Bonini,
Dr David Iacopini
1. Svolgimento del progetto alla fine del triennio di dottorato
Il progetto di ricerca sviluppato nell’arco del triennio della scuola di dottorato ha avuto come oggetto l’analisi dell’assetto strutturale del Margine Appenninico Emiliano-Romagnolo e Marchigiano, associato allo studio delle emissioni superficiali di fluidi responsabili delle formazione dei cosiddetti “mud volcanoes” o “vulcanelli di fango”, derivanti da reservoir profondi. In particolare, unitamente alla ricostruzione dell’assetto geologico e strutturale del Margine Appenninico in corrispondenza di tali emissioni, si intendeva indagare in dettaglio quelle che sono le possibili relazioni (anche e soprattutto causali) esistenti tra la presenza di strutture e la migrazione di fluidi. E’ infatti importante notare che almeno due possono essere le relazioni intercorrenti tra questi oggetti geologici: una relazione diretta, geometrica e genetica, rappresentata ad esempio dalla corrispondenza tra anticlinali e reservoir e la possibile migrazione dei fluidi stessi attraverso strutture fragili come faglie e fratture, ed una seconda, più indiretta ma non meno importante, rappresentata dall’effetto che l’attività ( e capacità sismogenetica) di una struttura, sia essa localizzata lungo il margine appenninico (e quindi in diretta connessione con i suddetti mud volcanoes) ma anche appartenente a domini strutturali differenti più o meno adiacenti, può avere sull’innesco di eruzioni di mud volcanoes e la conseguente emissione di fluidi profondi in superficie. Il progetto è andato prendendo corpo durante il primo ed il secondo anno di dottorato, per essere approfondito durante l’ultimo. Lo stato di avanzamento del progetto alla fine del secondo anno proponeva di investigare i seguenti filoni di studio:
1. Analisi del margine Pede-Appenninico Emiliano-Romagnolo e Marchigiano.
2. Analisi degli assetti e delle geometrie dei vulcanelli di fango in questi due settori, per l’indagine delle relazioni intercorrenti tra questi e le strutture del margine.
3. Analisi di analoghi di vulcani di fango, presenti in differenti contesti tettonici, ma legati agli stessi meccanismi evolutivi. Per tale analisi ci siamo avvalsi di un volume sismico 3D relativo al “Loyal Field”.
Considerando quanto sopra introdotto, a questi tre punti, durante l’ultimo anno si è provveduto ad aggiungerne un quarto, strettamente collegato ai precedenti:
4. Investigazione di casi di studio per cui l’attività sismica indotta da strutture appartenenti al margine appenninico e a contesti tettonici ad esso contigui abbia potuto innescare o facilitare la migrazione di fluidi profondi.
Inoltre, il punto 3 stato integrato con l’analisi di un ulteriore dataset sismico contenete possibili analoghi utili per l’investigazione dei meccanismi di migrazione di fluidi.
Il nuovo filone di studio (punto 4) è stato applicato a vulcani di fango riattivatisi a seguito della sequenza sismica in centro Italia, verificatasi a partire dall’Agosto 2016. Nondimeno, lo stesso approccio è stato applicato anche a vulcani di fango per cui l’attività storica potesse essere tentativamente correlata con
2 l’accadimento di eventi sismici, per i quali era già stata svolta l’analisi di campagna. Qui di seguito si riassumono i principali risultati raggiunti relativamente ai 4 punti citati.
L’analisi del Margine Appenninico Emiliano-Romagnolo, a seguito della campagna svoltasi durante il primo e secondo anno della scuola di dottorato, aveva evidenziato come, se in un settore compreso tra le valli dei fumi Enza e Reno le strutture e i sedimenti recenti fornissero indicazioni di un altrettanto recente attività, nel settore ad esso contigue verso Est e quindi compreso tra Casalecchio di Reno e Rimini, il Margine Appenninico risultasse scarsamente rilevato a seguito di uno shift dell’attività a favore di strutture più esterne, non in grado di influenzare (almeno in tempi recenti) la morfologia del margine stesso. I dati strutturali pertanto sono risultati di scarso interesse. Così non è stato per quanto riguarda le relazioni tra le strutture e la migrazione di fluidi, in quanto è stato possibile portare a termine l’analisi di alcuni vulcani di fango, tra i quaili in primis il cosiddetto “Dragone di Sassuno”, già menzionato al precedente stato di avanzamento. Per questo vulcanello l’analisi di campagna era stata in grado di mettere in risalto la dipendenza da una struttura anticlinalica e di stabilire un nesso tra la sua attività e il verificarsi di terremoti storici nell’area pede-appenninica. In particolare si è potuto stabilire che l’attività del vulcanello descritta dall’autore Serafino Calindri alla fine dell’700 può essere correlata all’accadimento di contemporanei eventi sismici. L’analisi ha verificato che in questo caso la correlazione tra evento sismico e l’attivazione del vulcanello di Sassuno, è da correlarsi agli stress dinamici, essendo gli stress statici calcolati sostanzialmente ininfluenti. Ulteriori vulcanelli, localizzati nella zona di Nirano, sono stati investigati tramite l’ausilio di sezioni sismiche acquisite da ENI S.p.A, ed hanno rilevato la corrispondenza tra thrust-related folds e il sistema di vulcanelli di Nirano, Regnano ed altri. Ulteriori linee sismiche sono state utilizzate per definire le geometrie del thrust Pede-Apenninico (PAT) e delle strutture associate nell’area di studio.
Per quanto riguarda l’analisi dei vulcanelli presenti lungo il Margine Marchigiano, l’approccio di studio utilizzato è stato quello finora descritto, che ha previsto l’utilizzo di sezioni sismiche (fornite da ENI S.p.A) al fine di investigare la geologia e l’assetto strutturale di sottosuolo, con l’intento di correlarlo alla geologia di superficie. In questo ultimo anno si è completata l’analisi dei sistemi di vulcanelli di fango di S. Paolo di Jesi, di Monteleone di Fermo e di Offida. Il precedete lavoro di campagna, unitamente all’interpretazione delle nuove sezioni sismiche, ha permesso di costruire un quadro completo dell’assetto di questi mud volcanoes, valutando gli orientamenti dei sistemi di feeder dyke, della posizione di possibili reservoir e dell’attività storica di questi vulcanelli.
Le informazioni così ottenute sono sufficienti per concludere che la migrazione di fluidi nei settori di margine appenninico presi in esame (sia emiliano che marchigiano) è fortemente influenzate dalle locali condizioni strutturali: i sistemi di vulcanelli sono quasi univocamente associati a strutture anticlinaliche, sepolte od affioranti, e l’orientazione delle fratture responsabili della migrazione dei fluidi (feeder dykes) è solitamente associata ai canonici sistemi fratturazione riscontrabili in contesti strutturali plicativi: feeder dyke associati a fratture parallele alle assi di anticlinale (i cosiddetti sistemi di joints “bc”) e sistemi di joint ortogonali alle assi di anticlinale (sistemi di joints “ac”).
I risultati ottenuti si sono rivelati fondamentali per l’analisi intrapresa a seguito degli eventi sismici verificatisi durante la sequenza sismica dell’Italia Centrale: numerosi terremoti, tra cui quelli del 24 Agosto 2016 (Mw 6.0) e del 30 Ottobre 2016 (Mw 6.5) sembrano infatti aver riattivato il sistema di vulcanelli di fango di Monteleone di Fermo, già investigato con analisi di campagna nell’estate del 2015, ed averne attivato di nuovi (sistema di vulcanelli di Santa Vittoria in Matenano, poco lontano da Monteleone di Fermo). Grazie all’ausilio dei dati di campagna e delle informazioni fornite dall’interpretazione sismica, nonché da analisi della sismicità locale e da dati di letteratura, è stato possibile impostare un’analisi numerica delle variazioni degli stress statici (come per altro già effettuato per terremoti storici e i sopracitati sistemi di vulcanelli) e degli stress dinamici. L’analisi numerica di tre eventi sismici ha consentito di escludere un ruolo nello short-term degli stress statici, essendo questi negativi o nulli, mentre ha permesso di calcolare valori degli stress dinamici massimi prossimi a 4 bar, sufficienti per innescare l’eruzione di mud volcanoes anche a decine di chilometri di distanza dell’area epicentrale. I risultati derivati sono stati sottomessi sotto forma di articolo alla rivista JGR, Solid Earth e presentati in congressi e workshop internazionali (Vedi sezione 2 di questa relazione)
Per quanto riguarda l’analisi di analoghi simici utili alla definizione delle relazioni tra migrazione di fluidi e strutture, si è provveduto a terminare l’analisi del volume sismico del Loyal Field. I risultati principali ottenuti da questo studio, derivanti dai 6 mesi di periodo di lavoro svolto presso l’Università di Aberdeen (Scozia) sono stati riportati nella precedente relazione di avanzamento. Con l’ulteriore analisi si è provveduto ad affinare il modello evolutivo delle cosiddette fluid escape pipes, ovvero condotti in grado di veicolare la migrazione di fluidi da un reservoir (come accade nel caso dei vulcanelli italiani) localizzato al top di un’anticlinale sepolta verso la superficie. Va ricordato che l’analisi dei vari dataset disponibili ha messo in evidenza come i fluidi in
3 questione presentino una matrice solida fluidizzata (presumibilmente fango) a rimarcare l’affinità tra questi oggetti geologici e i vulcani di fango. Il lavoro svolto sul Loyal Field è stato pubblicato su Marine and Petroleum Geology (vedi Sezione 2.2 di questa relazione).
Durante il periodo di lavoro ad Aberdeen, si è inoltre provveduto ad analizzare un ulteriore dataset sismico, proveniente dal margine passivo brasiliano (Cearà Basin), off-shore delle stato di Cearà. Questo dataset si presentava estremamente interessante data la presenza a fondo mare di morfologie solitamente identificate come pockmarks, e derivanti dalla migrazione di fluidi dal sottosuolo. Il dataset si prestava quindi all’analisi di fluid migration patways. Con gli approcci utilizzati per il Loyal Field, si è provveduto a mappare il dataset ed a produrre un modello evolutivo per la genesi dei condotti di migrazione di fluidi, che al contrario di quanto atteso non si sono rivelati responsabili della formazione dei pockmarks: al contrario, ciò che era stato inizialmente interpretato come pockmark, si è rivelato essere il risultato di processi sedimentari e quindi indentificati come upslope migrating bedforms (forme di fondo migranti contropendenza). Si è potuto constatare come sia la sovrapposizione verticale ripetuta e traslata verso l’alto della scarpata continentale a generare zone depresse caratterizzate dalla presenza di sedimenti grossolani, che costituiscono così condotti di migrazione verticali e preferenziali per i fluidi presenti nei sottostanti sedimenti. Non è stata rilevata quindi nessuna correlazione tra strutture tettoniche e questo tipo di migrazione di fluidi. Ciò nonostante i risultati ottenuti si sono rivelati interessanti e sottomessi sotto forma di articolo alla rivista Geology (vedi Sezione 2.2). Il risultato del lavoro di tesi, oltre ad essere stato riassunto nell’elaborato di tesi al termine del triennio, è stato anche pubblicato in tre lavori su riviste internazionali, e presentato in molteplici congressi, sotto forma di poster ed interventi orali (vedi sezione 2).
2.
Curriculum scientifico: congressi e pubblicazioni
2.1. Presentazioni a congressi
Il risultati del lavoro svolto sono stati presentati presso i seguenti congressi e workshop:
D. Maestrelli, M. Bonini, D. Delle Donne, M. Manga, L. Piccardi and F. Sani. Mud volcano eruption induced by
dynamic triggering: the 2016-2017 Central Italy seismic sequence case study. Geophysical Research Abstracts Vol. 20, EGU2018-8498, 2018, EGU General Assembly 2018. (Poster).
M. Bonini*, D. Maestrelli, M. Manga. Structural setting and earthquake triggering of mud volcanoes: examples from Azerbaijan and Italy. Geophysical Research Abstracts Vol. 20, EGU2018-19176, 2018, EGU General Assembly 2018. *Presenting author. (Intervento orale;).
D. Maestrelli, M. Bonini, D. Delle Donne, L. Piccardi and F. Sani. Mud Volcanoes eruptions in response to the
August-October 2016 Central Italy seismic sequence. DRT Conference, Inverness (Scotland, UK), 30th April-4th May
2017. (Intervento orale).
D. Maestrelli, M. Bonini, D. Delle Donne, L. Piccardi and F. Sani. The 2016-2017 Central Italy seismic sequence as a trigger for mud volcanoes eruption: a numerical modelling approach. Analogue modelling of tectonic processes workshop, Austin, Texas (USA) 17-19 May 2017. (Poster).
D. Maestrelli, D. Iacopini, M. Vittorio*. Fluids emission and gas chimneys imaged in high-resolution 3D seismic: Investigating the role of sedimentary structures in controlling vertical fluid migration (offshore of Ceará-Potiguar sub-basin, Brazil). Geophysical Research Abstracts Vol. 19, EGU2017-16001, 2017, EGU General Assembly 2017 *Presenting author. (Pico presentation).
D. Iacopini*, D. Maestrelli, A. Jihad, C. Bond, M. Bonini. Seismic and structural characterization of the fluid bypass system using 3D and partial stack seismic from passive margin: inside the plumbing system. Geophysical Research Abstracts Vol. 19, EGU2017-16541-1, 2017, EGU General Assembly 2017. *Presenting author (Intervento orale).
Maestrelli D., Iacopini D., Jihad A., Bond C. & Bonini M. - Seismic characterization of fluid escape pipes from the Loyal Field (Scotland, UK) using high resolution 4D seismic surveys. 88° Congresso della Società Geologica Italiana,
4 7-9 Settembre 2016, Napoli, Italia. Rend. Online Soc. Geol. It., 40-1,491 doi: 10.3301/ROL.2016.79. Relazione ad invito come vincitore del Petroleum Geology Student Contest di Matera. (Intervento orale)
Maestrelli D., Benvenuti M., Bonini M., Carnicelli S., Piccardi L. & Sani F. (2016) - Quaternary activity of the Pede-Apennine Thrust (Emilia-Romagna, Italy): multiple evidence of recent deformations. 88° Congresso della Società Geologica Italiana, 7-9 Settembre 2016, Napoli, Italia. Rend. Online Soc. Geol. It., 40-1,76 doi: 10.3301/ROL.2016.79 (Poster).
Maestrelli, D., Jihad, A., Iacopini D.*, Bond, C. (2016)- Seismic texture and amplitude analysis of large scale fluid escape pipes using time lapses seismic surveys: examples from the Loyal Field (Scotland, UK). EGU general Assembly, 17-22 April 2016, Vienna, Austria. Geophysical Research Abstracts, Vol. 18, EGU2016-17054-1. *Presenting author (Poster).
Maestrelli D., Ali J., Iacopini D., Bond C., Bonini M., Sani F. (2015) - Seismic expression of large scale fluid escape pipes using time lapses seismic surveys: examples from the Loyal Field (Scotland, UK). Petroleum Geology Student Contest. 27 Novembre 2015. Rend. Online Soc. Geol. It., 37-1, 20. doi: 10.3301/ROL.2015.180. (Intervento orale). Maestrelli D., Bonini M., Sani F. (2015) - Quaternary slip rates along the frontal thrust system of the Pede-Apennine
margin, between the Enza and Panaro valleys, Emilia Romagna, Italy. Rend. Online Soc. Geol. It., Suppl. n. 2 al Vol. 35. (Poster).
Maestrelli D., Ali J., Iacopini D., Bond C. & Sani F. (2015) - Depicting fluid escape pipes using 3D and time lapses seismic surveys. Rend. Online Soc. Geol. It., Suppl. n. 1 al Vol. 36. (Intervento orale).
Maestrelli D., Ali J., Iacopini D., Bond C. Bonini M., & Sani F. (2015) - Seismic expression of large scale fluid escape pipes using time lapses seismic surveys: examples from the Loyal Field (Scotland, UK). Rend. Online Soc. Geol. It.,Suppl. n. 1 al Vol. 37 (intervento orale).
2.2. Pubblicazioni
Infine, a seguito del lavoro svolto durante i tre anni di dottorato, sono stati pubblicati e sottomessi i seguenti lavori:
Maestrelli, D., Benvenuti, M., Bonini, M., Carnicelli, S., Piccardi, L., & Sani, F. (2018). The structural hinge of a chain-foreland basin: Quaternary activity of the Pede-Apennine Thrust front (Northern Italy). Tectonophysics, 723, 117-135. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2017.12.006
Maestrelli, D., Bonini, M., Delle Donne, D., Manga, M., Piccardi, L., & Sani, F. (2017). Dynamic triggering of mud volcano eruptions during the 2016–2017 Central Italy seismic sequence. Journal of Geophysical Research: Solid
Earth, 122(11), 9149-9165. https://doi.org/10.1002/2017JB014777
Maestrelli, D., Iacopini, D., Jihad, A. A., Bond, C. E., & Bonini, M. (2017). Seismic and structural characterization of fluid escape pipes using 3D and partial stack seismic from the Loyal Field (Scotland, UK): A multiphase and repeated intrusive mechanism. Marine and Petroleum Geology, 88, 489-510.
https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2017.08.016
Maestrelli, D. Iacopini, V. Maselli, D. Chiarella, N. Scarselli, P. Vannucchi, L. Jovane, B. Kneller. Fluid propgration pathways driven by the interplay of fluid escape and density currents? Sottomesso a Geology.
Maestrelli, D., Bonini, M., Sani, F. (in preparazione). Linking mud volcanoes to deep-seated structures of the Emilia-Romagna and Marche foothills (Italy), with implications for seismic triggering.
3. Adempimenti didattici
Qui di seguito si riportano i corsi, i seminari e gli workshop che sono stati seguiti durante l’arco del triennio per l’acquisizione dei CFU previsti dal regolamento.
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