Geometria e deformazione inerente alle deformation bands in litologie arenacee 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° 6 (2011), ISSN: 2240-7847.

Introduzione

Lo studio riguarda l'analisi strutturale della deformazione fragile di alcune strutture ritrovate all'interno delle unità litologiche arenacee della Formazione di Ranzano (Appennino emiliano) in prossimità di Castellarano (Reggio Emilia) e riconducibili a bande di deformazione (deformation bands).

L'obiettivo è quello di descrivere la loro geometria e attraverso le strutture secondarie (Balocchi, 2011) associate descrivere la deformazione tettonica dell'area e l'orientazione dello stress tettonico che le ha prodotte.

La deformazione fragile, attraverso i processi di fagliazione in litologie arenacee sono state descritte da diversi autori (Aydin, 1978; Aydin, Reches, 1982; Aydin, Johnson, 1983; Antonellini, e al., 1994; Tondi e al., 2006) come associazione di tre principali strutture: deformation bands, Zone of deformation bands e slip-surface.

Le deformation bands sono descritte come piccole faglie con spessore millimetrico, in cui i singoli grani si fratturano per taglio, con spostamenti dell'ordine del millimetro o centimetro. Il loro spessore è generalmente variabile dal millimetro al decimetro.

Le caratteristiche di una singola banda sono (Aydin, 1978; Aydin, Johnson, 1983):

1. La deformazione è intensamente localizzata entro una stretta fascia denominata banda;
2.  La deformazione permanente all'interno di una banda avviene per fratturazione e movimento dei grani con distorsione della matrice e riduzione del volume dei pori;
3. All'interno di una banda è presente sia la diminuzione di volume, sia il movimento di taglia lungo essa. L'ordine di grandezza della deformazione volumetrica è di almeno 0,2, mentre quella della deformazione di taglio è dell'ordine di 1-10
4. Le caratteristiche fisiche, incluse la densità, la granulometria e probabilmente l'elasticità e la forza, cambiano al progredire della deformazione.



Figura 1: Zone of deformation bands del Set 1; a) in affioramento;
b) interpretazione geometrica e cinematica; Sigma: direzione di massima
compressione dello stress tettonico (modificato da: Balocchi, 2011).

 Una Zone of deformation bands è rappresentata dall'accostamento di due o più deformation bands, le quali mostrano la stessa direzione e inclinazione. Lo spessore di una zona dipende dal numero e dalla spaziatura tra le singole deformation band.  

Generalmente la deformazione lungo le zone è accomodata dalla formazione di nuove deformation bands adiacenti a quelle preesistenti, piuttosto che alla riattivazione di queste ultime (Aydin, Johnson, 1983). In questo modo si ha un effettivo aumento dello spessore di una zona attraverso l'aumento delle singole deformation band. Quindi il rigetto effettivo dovuto ad una singola deformation band o ad una Zone of deformation bands, è legato allo spessore: maggiore è lo spessore, maggiore sarà anche il rigetto.

Dal punto di vista geometrico, la traccia di una singola deformation band si presenta  dritta, mentre la traccia di una singola banda all'interno di una zona è generalmente ondulata.



Figura 2: Zone of deformation bands del Set 1; a) in affioramento;
b) interpretazione geometrica e cinematica;  Sigma: direzione di massima
compressione dello stress tettonico


Le Slip-Surfaces sono rappresentate da superfici di scivolamento lungo discontinuità localizzate su entrambe i lati di una Zone of deformation bands. Tali superfici in taluni casi possono accomodare le deformazioni tra i due blocchi attraverso spostamenti dell'ordine di alcuni metri.

Le relazioni spaziali tra le deformation bands, Zone of deformation bands e le slip-surfaces, indicano che queste tre strutture si sono formate in sequenza (Aydin, Johnson, 1983). Generalmente superfici di scivolamento sono associate a zone di deformation bands, molte zone non contengono però superfici di deformazione; ugualmente, molte zone sono composte da bande di deformazione, ma è possibile trovarle anche individualmente e distanti dalle zone (Aydin, Johnson, 1983). Una singola banda di deformazione si forma per prima durante il processo e per accrescimento di nuove bande adiacenti ad una preesistente, si formano delle Zone of deformation bands. Attraverso questo processo si ha un aumento dello spessore della zona che corrisponde ad un aumento del rigetto effettivo (Aydin, Johnson, 1983; Tondi e al., 2006).

I tre elementi strutturali si presentano generalmente in set multipli. I membri di un set presentano stessa direzione e inclinazione. La spaziatura tra le bande all'interno di un set è generalmente dell'ordine del centimetro, ma è più larga tra zona o superficie. I set di bande, zone e superfici formano un pater a geometria regolare e facilmente individuabile all'interno delle unità litologiche anche grazie al loro contrasto rispetto la roccia ospitante (Aydin, Johnson, 1983; Tondi e al., 2006; Balocchi, 2011).

Analisi geometrica delle deformation bands

L'unità litologica è rappresentata dalla facies aranaceo-conglomeratica del Membro della Val Pessola (Formazione di Ranzano) che mostra alla mesoscala una intensa deformazione fragile, testimoniata dalla presenza di due set principali di deformatio bands. Il primo set ha una direzione e inclinazione di N310°-30° mentre il secondo set ha una direzione e inclinazione di N270°-60°. I due set si presentano con una colorazione più chiara rispetto alla roccia inglobante e rispettivamente in rilievo oppure maggiormente eroso rispetto la roccia ospitante (Balocchi, 2011). Inoltre sempre alla mesoscala è stato possibile definire una cronologia tra i due set, attraverso lo studio delle relazioni di intersezione tra essi. Il secondo set taglia il primo e pertanto si deve considerare successivo.



Figura 3: Distribuzione spaziale delle deformation bands del Set 1;
Proiezione equiareale, emisfero inferiore.


Set 1: E' rappresentato da più deformation bands singole con uno spessore dell'ordine del centimetro e spaziatura decimetrica, a formare una Zone of deformation bands (fig. 1a e 2a) con direzione e inclinazione media di N310°-30° (fig. 3) e spessore dell'ordine metrico (circa 10 metri). La litologia della roccia ospitante e la stessa di quella delle bande, rappresentata da arenarie microconglomeratiche di colore grigio e mediamente friabili. Le singole bande si presentano in rilievo rispetto la roccia ospitante (fig. 1a e 2a). Questo è dovuto ad una maggiore resistenza agli agenti atmosferici che regolano il modellamento del paesaggio, controllato dalla diminuzione della porosità  del sedimento in corrispondenza delle deformation bands (Aydin, Johnson, 1983; Antonellini e al., 1994; Balocchi, 2011), che avrebbe conferito una maggiore resistenza ai processi erosivi.

Strutture associate a questo set sono quelle a cucchiaio (Balocchi, 2011) rappresentate da superfici di scollamento basale raccordate a rampe frontali (Antonellini e al., 1994). La forma si presenta come superficie concava verso l'alto (fig. 1a). Tali superfici sono descrivibili come delle faglie listriche di sovrascorrimento, le quali mostrano diverse fasi di deformazione tettonica (fig. 1b) dovute ad una fase di raccorciamento dell'area (Balocchi, 2011).

Il set può essere classificato sulla base dell'osservazione alla scala mesoscopica, come bande di deformazione da compattazione con componente di taglio (Compaction bands with shear)( Antonellini e al., 1994; Schultz e al., 2005).



Figura 4: Deformation band del Set 2 (da: Balocchi, 2011);


Set 2: anche esso è rappresentato da singole deformation band (fig. 4) con uno spessore dell'ordine da centimetrico a decimetrico a formare una Zone of deformation bands con direzione e inclinazione media N270°-60° (fig. 5) e spessore dell'ordine metrico. La litologia della roccia ospitante è rappresentata da arenarie da microconglomeratiche  a conglomeratiche di colore grigio, compatte, mentre le bande sono caratterizzate dalla medesima litologia ma a granulometria più fine (arenarie fini), maggiormente friabile e con una struttura clay-smearing (fig. 6a). Le singole deformation bands e struttura clay-smearring (Antonellini e al., 1994; Balocchi, 2011) sono limitate dalla roccia ospitante da due slip-surface.



Figura 5: Distribuzione spaziale delle deformation bands del Set 2;
Proiezione equiareale, emisfero inferiore.

 La roccia circostante alle deformation bands si presenta in rilievo e più compatta rispetto a quella delle singole bande, questo deve essere dovuto da una porosità inferiore delle deformation bands (Balocchi, 2011). Anche il ritrovamento di ossidi di ferro lungo le superfici delle bande, messe in evidenza dalla colorazione bruna (fig. 7), è da mettere in relazione all'aumento della porosità lungo le singole bande (Antonellini e al., 1994; Balocchi, 2011).

In sezione, le strutture di clay-smearing (Balocchi, 2011) si presentano come strutture tipo S-C Fabric (fig. 6)(Lister, 1984; Lin, 2001) all'interno dei singoli shear-bands. Le S-surface sono rappresentate da una foliazione con direzione e inclinazione N270°-40° (fig. 6 e 8) e le C-surface sono rappresentate dalle slip-surface che limita la singola deformation band (N270°-60°) dalla roccia ospitante.

Tale set può essere classificato alla scala mesoscopica, come banda di deformazione con clay-smearing (Deformation bands with clay-smearing)(Antonellini e al., 1994; Schultz e al., 2005).

Analisi delle deformation bands

Figura 6: Deformation bands del Set 2; a) struttura
da clay-smearing con S-C Fabric; b)  interpretazione
geometrica e cinematica lungo la traccia N-S;  
Sigma: direzione di massima compressione
dello stress tettonico  (modificato da: Balocchi, 2011).

Dall'analisi geometrica delle deformation bands congiuntamente allo studio delle strutture secondarie associate alle bande (Balocchi, 2011), ha permesso di definire un modello della deformazione dell'area. Le relazioni di intersezione del secondo set che taglia il primo, definisce la loro cronologia: il primo set si è formato per primo e solo successivamente si è formato il secondo set.

Il primo set di deformation bands si è generato durante una fase tettonica di raccorciamento dell'area (Balocchi, 2011). Tale fase è messa in evidenza dai diversi dati, sia di carattere geometrico come la bassa inclinazione del piano (30°) delle singole deformation band (fig. 3), sia dalle strutture secondarie (fig. 1b e 2b), che definiscono questo set come faglie di sovrascorrimento (thrust).

Figura 7: Colorazione bruna per ossidazione del Ferro
lungo le deformation bands del Set 2.

Anche per il secondo set, attraverso l'analisi della geometria delle singole slip-surface con inclinazione di 60°, le strutture secondarie di clay-smearing interpretate come strutture tipo S-C Fabric (fig. 6b) e l'evidenza di ossidi di ferro lungo i piani delle bande (fig. 7), fa classificare il set come faglie normale formate durante una fase successiva di netta distensione dell'area.

E' possibile definire la direzione dell'ellissoide della deformazione per entrambe i set, e la direzione dello stress tettonico (Balocchi, 2011). Il primo set è compatibile con una direzione di massimo raccorciamento orizzontale NE-SW, mentre il secondo è compatibile con una direzione di massima estensione orizzontale N-S.

Conclusioni

Lo studio definisce in dettaglio la geometria delle deformation bands e attraverso le strutture secondarie è stato possibile definire l'orientazione dell'ellissoide della deformazione e dello stress tettonico (Balocchi, 2011).

In base ai dati raccolti e studiati, tali strutture rappresentano delle deformation bands legate a due eventi tettonici distinti e riconducibili al contesto geologico regionale dell'Appennino settentrionale.

In base all'orientazione dell'ellissoide dello stress tettonico (Balocchi, 2011), il primo evento deformativo evidenzia un raccorciamento in direzione NE-SW, coassiale con l'ellissoide dello stress, che ha prodotto diversi piani di sovrascorrimento a direzione e inclinazione N310°-30°. Il secondo evento evidenzia una estensione in direzione N-S, per effetto di uno stress tettonico con direzione dell'asse di massima compressione verticale, e una direzione dell'asse di estensione orizzontale N-S (Balocchi, 2011) producendo diversi piani di faglie normali a direzione e inclinazione N270°-60°.

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); Deformation bands e le strutture secondarie della Formazione di Ranzano (Appennino Settentrionale). GeoResearch Center Italy – GeoBlog, pub. n° 5 (2011), consultabile all'indirizzo internet: http://georcit.blogspot.com/2011/07/deformation-bands-e-le-strutture.html. 

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.