Riassunto analitico
Le anticlinali legate a thrust lungo i prismi d’accrezione e nell’avanfossa, rappresentano strutture efficienti per l’accumulo e la dissipazione di fluidi ricchi in metano, talvolta creando le condizioni favorevoli per la formazione o destabilizzazione di gas idrati. Durante il Miocene, ambienti di cold seep, caratterizzati da alte concentrazioni di metano nel sedimento o da vere e proprie emissioni di fluidi “freddi” dal fondale, si svilupparono al fronte del prisma d’accrezione Appenninico lasciando traccia nel record geologico sotto forma di carbonati autigeni metano-derivati (MDAC) legati a ossidazione anaerobica del metano (AOM). Lo studio di questi sistemi fossili ci fornisce informazioni circa le relazioni tra crescita della struttura, la dinamica del sistema di seep, la risalita dei fluidi nel sedimento e precipitazione dei carbonati autigeni.
Il presente studio mira a ricostruire la storia evolutiva dei cold seep Appenninici legati a dorsali d’accrezione del Miocene ed ottenere un nuovo modello geologico. Gli affioramenti scelti ricadono nel settore Toscano e Romagnolo della catena Appenninica e sono stati selezionati per la loro buona esposizione stratigrafica. La prima parte dello studio è consistita nel rilevamento geologico dei corpi carbonatici e del sedimento incassante, aggiornando ove presente, la precedente cartografia. I seep si sono sviluppati al fronte del prisma d’accrezione Appenninico in corrispondenza di anticlinali sepolte e sono inclusi in depositi di scarpata e su alti strutturali nell’avanfossa interna. Il lavoro di campagna sui corpi carbonatici ha permesso di ricostruirne la geometria, distribuzione spaziale e definire e interpretare le facies carbonatiche ricorrenti e significative per ricostruire l’intensità del flusso. Le analisi geochimiche e petrografiche sono state condotte su campioni di carbonati autigeni e del sedimento incassante. Sono state effettuate analisi CHN per caratterizzare il contenuto e l’origine della materia organica nel sedimento. Analisi degli isotopi stabili del Carbonio e dell’Ossigeno (13C, 18O) e isotopi radiogenici dello stronzio (87Sr/86Sr) nei carbonati hanno permesso di evidenziare l’origine da AOM e caratterizzare il tipo di fluidi. Sono state infine condotte analisi degli elementi in traccia quali Terre Rare e di Molibdeno e Uranio per ricostruire le condizioni redox presenti nei fluidi interstiziali durante la precipitazione dei carbonati. I carbonati sono precipitati vicino al fondale (da cm a m), in equilibrio con fluidi marini coevi. Alcune porzioni dei corpi autigeni hanno registrato valori di Sr marcatamente radiogenici che testimonierebbero un contributo da fluidi di origine profonda che hanno interagito con le torbiditi terziarie sottostanti. La migrazione di tali fluidi sarebbe avvenuta attraverso un sistema avvettivo legato al thrust che ha formato le strutture anticlinali e a sistemi di faglie estensionali più superficiali sviluppatesi lungo la cresta di tali strutture.
Gli affioramenti di calcari metano-derivati Miocenici sono stati confrontati con sistemi analoghi moderni localizzati all’Hikurangi Margin, a largo della Nuova Zelanda e Hydrate Ridge, a largo dell’Oregon, USA. Questo confronto, basato principalmente sul contesto tettonico-strutturale e disposizione spaziale del seepage, supportato inoltre da una vasta letteratura scientifica su analoghi attuali, ha portato alla costruzione di un modello geologico dei cold seep Appenninici fornendo nuovi dettagli sulla loro evoluzione temporale.
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Abstract
Thrust-related anticlines on the lower slope of the accretionary wedges and in the inner foredeep represent ideal structures for accumulation, trapping and dissipation of methane-rich fluids, possibly creating the optimal conditions for gas hydrate formation and destabilization. Miocene methane seepage in the northern Apennines developed at the front of the paleo-wedge during different stages of foredeep migration, related to the synsedimentary growth of thrust-related anticlines. Such examples thus provide a valuable opportunity to better constrain relationships among anticline growth, seepage dynamics, fluid migration pathways and authigenic carbonate precipitation.
Selected key-outcrops (Corella, Castagno d’Andrea, Moggiona, Prati Piani) are located in the Tuscan and Romagna sectors of the Apennine chain, characterized by well-exposed stratigraphy. The studied seeps developed on the frontal part of the wedge-slope in correspondence of buried anticlines, and on intrabasinal highs of the inner foredeep. Geological mapping and facies analysis were conducted at each outcrop prior to geochemical and petrographic investigations. The field work allowed the identification of recurring features at seep carbonate outcrops in terms of morphology, spatial distribution, lateral and vertical contacts with enclosing sediments and carbonate facies.
Background geochemical conditions were investigated through CHN analyses on the host sediments and C, O isotopic analysis both on seep-carbonates and host sediments. Strontium isotope (87Sr/86Sr) and trace element analyses (REE and Mo, U) were used to constrain fluid sources and seepage conditions. Carbonates precipitated close to the seafloor, in equilibrium with coeval seawater. Some carbonate phases recorded the contribution of a deeper fluid source of radiogenic Sr indicating that a fault or a fault system, rooted in the underlying Tertiary turbidites, acted as a pathway for methane-rich fluids and generated an advective fluid flow toward the seafloor. The remarkable 87Sr enrichment derives from the interaction of fluids with detrital clays. The comparison of studied fossil seeps with two extensively investigated sites of active seepage (Hikurangi Margin, off New Zealand and Hydrate Ridge, off Oregon, USA), allowed to outline a robust geologic model for Apennine seeps, providing new details on their evolution and constraints into the variability of ancient and modern MDAC deposits.
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