Deformation bands e le strutture secondarie della Formazione di Ranzano (Appennino settentrionale)

Paolo Balocchi (1)

Riassunto: Lo studio riguarda l’analisi strutturale della deformazione fragile di alcune bande di deformazione (deformation bands) ritrovate all’interno delle unità litologiche arenacee della Formazione di Ranzano (Appennino emiliano), con l’obiettivo di descrivere la loro geometria e risalire alla deformazione tettonica dell’area definendo l’orientazione dell’ellissoide della deformazione. Lo studio di due affioramenti, ha mostrato la presenza di due set principali: il set 1 a direzione e inclinazione N310°-30°; il set 2 a direzione e inclinazione N270°-60°. Vengono poi studiate anche le strutture secondarie associate alle deformatin bands, che sono rappresentate da: i) sovrascorrimenti con porzioni di bande che si accavallano formando superfici a cucchiaio con la concavità rivolta verso l’alto (faglie di thrust listriche); ii) strutture da clay-smearing, interpretabili come strutture da foliazione associate a strutture di taglio  (S-C Fabric). Attraverso lo studio combinato della geometria delle singole deformation bands e delle strutture secondarie è stato possibile definire un modello della deformazione fragile dell’area e definire l’orientazione dell’ellissoide della deformazione nello spazio, inoltre le relazioni di intersezione tra i due set, mostrano il secondo che taglia il primo, definendo la loro cronologia nel tempo con il set 1 più vecchio e precedente al set 2. In base ai dati raccolti e studiati, le deformation bands sono il risultato di due eventi tettonici distinti e riconducibili al contesto geologico regionale dell’Appennino settentrionale. Il primo evento rappresentato dal set 1 evidenzia un raccorciamento in direzione NE-SW, mentre il secondo evento rappresentato dal set 2 è successivo ed evidenzia una estensione in direzione N-S.

_______________

(1) Geologo del GeoResearch Center Italy – GeoBlog (sito internet: www.georcit.blogspot.com; mail: georcit@gmail.com).

_______________  
GeoResearch Center Italy - GeoBlog, pub. n° 5 (2011), ISSN: 2240-7847.

Introduzione

Lo studio di alcune deformation bands (Aydin, 1978; Aydin, Reches, 1982; Aydin, Johnson, 1983; Antonellini, e al., 1994; Tondi e al., 2006) ritrovate all'interno delle unità litologiche arenacee della Formazione di Ranzano (Balocchi, 2011), hanno mostrato associazioni con strutture tettoniche secondarie di tipo compressive e distensive.

Il seguente studio si propone di descrivere la geometria delle strutture secondarie e studiarne la deformazione per risalire all'orientazione dell'ellissoide della deformazione e dello stress tettonico.

Analisi geometrica delle strutture secondarie

Le deformation bands riscontrate nel Membro della Val Pesolla appartenente alla Formazione di Ranzano, si presentano come bande di colorazione più chiara rispetto alla roccia circostante e a secondo dei casi possono essere in rilievo, oppure è la roccia ospitante ad essere in rilievo rispetto le bande stesse (Balocchi, 2011).

Le strutture secondarie ad esse associate possono essere descritte come:

Strutture a cucchiaio (fig. 1a): rappresentate da superfici di scollamento basale raccordate a rampe frontali (Antonellini e al., 1994). La forma si presenta come una superficie con la concavità verso l'alto. In pianta sono arcuate con la concavità rivolta verso il retropaese (fig. 1b);

 Strutture da compattazione (fig. 2a): Le singole bande si presentano in rilievo rispetto la roccia ospitante causa una maggiore resistenza agli agenti atmosferici del modellamento. Questo è da mettere in relazione ad una diminuzione della porosità del sedimento in corrispondenza della deformation band, e quindi ad una compattazione della banda conferendogli una maggiore resistenza agli agenti del modellamento (Aydin, 1978; Aydin, Johnson, 1983).

Figura 1: Deformation bands a) struttura a cucchiaio; b) analisi della deformazione;
1. primo sovrascorrimento; 2. secondo sovrascorrimento; 3. terzo sovrascorrimento;
R) rampa frontale; in Blue e rappresentata la forma ad arco visibile in pianta;
x) direzione di massimo allungamento e z) direzione direzione di massimo raccorciamento
relativo all'elissoide della deformazione

Figura 2: Zone of deformation bands: a) stuttura da compattazione: si noti il rilievo delle bande
rispetto la roccia circostante; b) analisi della deformazione: z) direzione di massimo raccorciamento
x) direzione di massimo allungamento 

Strutture da clay-smearing (fig. 3a): rappresentate dall'associazione di foliazione e piani di taglio (S-C Fabric)(Lister e al., 1984; Lin, 2001) all'interno dei singoli shear-bands. La S-surface è rappresentata da una foliazione con piani paralleli e delimitati dalle C-surface che sono rappresentate da superfici di scivolamento le quali delimitano le singole deformation band da altre bande oppure dalla roccia ospitante.

Figura 3: Deformation band: a) struttura da clay-smearing con S-C Fabric; b) analisi della deformazione
lungo la traccia N-S: S) foliazione; C) superfici di taglio; z) direzione di massimo raccorciamento
x) direzione di massimo allungamento inerente all'ellissoide della deformazione 

Strutture da estensione: tali strutture sono associate ad una diminuzione di porosità rispetto la roccia circostante. Le deformation bands sono più friabili e presentano un rilievo minore rispetto la roccia ospitante (fig. 4). Il ritrovamento di ossidi di ferro lungo le superfici delle bande, messe in evidenza dalla colorazione bruna (fig. 5a), è da mettere in relazione all'aumento della porosità della bande (Aydin, Johnson, 1983; Antonellini e al., 1994) che permette la percolazione di acqua al suo interno favorendo l'ossidazione. Tali strutture da un punto di vista microscopico sono dovute per scivolamento delle particelle che compongono la roccia (Aydin, Johnson, 1983; Antonellini e al., 1994).

Figura 4: Deformation band: si noti la roccia ospitante in rilievo rispetto la banda.

Figura 5: Colorazione bruna per ossidazione del ferro lungo la deformation band 
a) struttura da estensione; b) analisi della deformazione: z) direzione di massimo raccorciamento
x) direzione di massimo allungamento inerente all'ellissoide della deformazione 

Analisi delle strutture secondarie

Le strutture a cucchiaio mostrano una geometria tipica da strutture di sovrascorrimento, con una superficie di scollamento basale da cui possono dipartire dei thrust listrici generando delle rampe frontali. Nel caso specifico è possibile definire thrust successivi (fig. 1b) che hanno portato ad un raccorciamento progressivo dell'area (fig. 1b). Il modello deformativo è rappresentato da un avanzamento per overstep dei thrust listrici. Tali strutture si formano con inclinazione del piano a basso anglo rispetto alla direzione di massimo raccorciamento dell'ellissoide della deformazione (fig. 1b).

Le strutture da compattazione interpretate senza tenere conto della componente di taglio, si formano con una direzione del piano ortogonale alla direzione di massimo raccorciamento (fig. 2b).

Le Strutture da clay-smearing sono caratterizzate dall'associazione di foliazione e di taglio: S-C Fabric (Lister e al., 1984; Lin, 2001). In relazione all'ellissoide della deformazione le S-surface si formano ortogonali all'asse di massimo raccorciamento, mentre le C-surface si formano con in anglo variabile di 30-45° rispetto l'asse di massimo raccorciamento (fig. 3b). Attraverso l'interpretazione delle S-C Fabric è possibile determinare il senso di taglio delle C-surfece; nel caso in questione la Zone of deformation bands  rappresenta una un sistema di faglie sistematiche a cinematica normale.

Le strutture da estensione interpretate senza tenere conto della componente di taglio, si formano con una direzione del piano ortogonale alla direzione di massima estensione (fig. 5b).

Conclusioni

Attraverso lo studio geologico strutturale delle strutture secondarie associate alle deformation bands è stato possibile descrivere la loro geometria e l'orientazione degli assi principali della deformazione (fig. 1b, 2b, 3b e 5b) e dello stress tettonico.

Confrontando l'orientazione dell'ellissoide della deformazione delle strutture compressive (strutture a cucchiaio e da compattazione) (fig. 1b e 2b) è possibile notare come non sono coassiali: non c'è una corrispondenza tra gli assi principali dell'ellissoide.

Stessa cosa accade per le strutture estensive (strutture da clay-smearing e da estensione) (fig. 3b e 5b).

Questo fattore di non coassilità degli ellissoidi della deformazione, è dovuto al fatto che non si considerano le componenti di taglio lungo le deformation bands. Infatti se consideriamo le due componenti (taglio-compattazione e taglio-estensione) è possibile definire l'ellissoide della deformazione e dello stress nei due gruppi di strutture:

Strutture compressive

Considerando una deformazione tettonica per taglio puro, la direzione dell'asse di massima compressione è longitudinale all'asse di massimo raccorciamento, e la direzione di massima estensione è longitudinale all'asse di massimo allungamento, essendo i due ellissi coassiali tra loro. In questo regime di stress tettonico si genera una deformation band con un piano inclinato a basso angolo rispetto l'asse di massimo raccorciamento (fig. 6a). Aumentando la deformazione si ha la formazione di nuove bande adiacenti a quella preesistente, andando ad ispessire la deformation band (Aydin, Johnson, 1983; Antonellini e al., 1994). Questo processo porta ad una compattazione per diminuzione della porosità lungo le singole bande (fig. 6b).

Figura 6: Modello deformativo delle strutture ci compressione:
a)fase iniziale della deformazione con la formazione di una deformation band;
b) fase successiva della deformazione con l'ispessimento della deformation band e
formazione di strutture da compattazione lungo la banda;
z) direzione di massimo raccorciamento
x) direzione di massimo allungamento inerente all'ellissoide della deformazione
Sigma = direzione di massima compressione dello stress tettonico 

Strutture distensive

Le S-C Fabric rappresentano strutture tipiche di zone di taglio, dove l'ellissoide della deformazione subisce una rotazione esterna progressiva all'aumentare dello stress tettonico (fig. 3b). Pertanto lo stress tettonico che ha generato tali deformation bands non è coassiale con quello della deformazione ma mostra una direzione di massima compressione verticale e una direzione di massima estensione orizzontale. Sotto tale stress si generano una deformation band delimitate da superfici di scivolamento (C-surface) (fig. 7a). All'aumentare della deformazione si sviluppano le strutture S-surface  con un angolo di q = 45° (Davis e al., 1996) rispetto alle C-surface. Aumentando ancora la deformazione si ha una rotazione delle superfici di foliazione in senso antiorario e la formazione di strutture da estensione per aumento della porosità lungo le deformation bands (fig. 7b).

Figura 7: Modello deformativo delle strutture da estensione: a) fase iniziale della deformazione con
la formazione di una deformation band e S-C Fabric (S) foliazione (C) piani di taglio;
b) fase successiva della deformazione con la rotazione esterna dell'ellissoide della deformazione
e relativa rotazione della foliazione (S) con la diminuzione dell'angolo Theta
z) direzione di massimo raccorciamento
x) direzione di massimo allungamento inerente all'ellissoide della deformazione
Sigma = direzione di massima compressione dello stress tettonico 

Le strutture da compattazione e da estensione possono dare indicazioni molto importanti sulla componente cinematica della banda, solo se vengono utilizzate insieme alle altre strutture. Infatti, da sole non consentono di definire l'esatta direzione dell'ellissoide della deformazione e dello stress tettonico, come abbiamo visto in precedenza. Inoltre alla scala microscopica è possibile notare come tali strutture sono da mettere in relazione allo scivolamento delle particelle della roccia dovuti a sforzi di taglio (Aydin, Johnson, 1983; Antonellini e al., 1994).

Bibliografia

Antonellini M.A., Aydin A., Pollard D. (1994); Microstructures of deformation bands in porous sandstones at Arches National Park, Utah. Journal of Structural Geology, Vol. 16, No. 7, pp. 941-959.

Aydin A. (1978); Small faults formed as deformation bands in sandstone. Pure appl. Geophys. 116, pp. 913-930.

Aydin A., Johnson A.M. (1983); Analysis of faulting in porous sandstones. Journal of Structural Geology, Vol. 5, No. 1, pp. 19-31.

Aydin A., Reches Z. (1982); The number and orientation of fault sets in the field and in experiments. Geoloy, 10, pp. 107-112.

Balocchi P. (2011); Geometria e deformazione inerente alla deformation bands in litologie arenacee della Formazione di Ranzano (Appennino settentrionale). GeoResearch Center Italy – GeoBlog, pub. n. 6(2011), consultabile all'indirizzo internet: http://georcit.blogspot.com/2011/07/geometria-e-deformazione-inerente-alle.html.

Davis G. H., Reynolds S. J. (1996); Structural geology of rocks and regions. John Wiley and Sons, Inc. Eds.

Lin A. (2001); S-C Fabrics developed in cataclastic rocks from the Nojima fault zone, Japan and their implications for tectonic history. Journal of Structural Geology, Vol. 23, No. 6-7, pp. 1167-1178.

Lister G.S., Snoke A.W. (1984); S-C Mylonites. Journal of Structural Geology, Vol. 6, No. 6, pp. 617-638.

Schultz R.A., Siddharthan R. (2005); A general framework for the occurrence and faulting of deformation bands in porous granular rocks.Tectonophysics, 411, pp. 1-18.

Tondi E., Antonellini M.A., Aydin A., Marchegiani L., Cello G. (2006); The role of deformation bands, stylolites and sheared stylolites in fault development in carbonate grainstones of Majella Mountain, Italy. Journal of Structural Geology, Vol. 28, pp. 376-391.