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Mattia Pizzati (Ciclo XXXI)

         

 

 

Tutor / Supervisor: dott Fabrizio Balsamo
Co-tutor / Co-supervisor: prof. Paola Iacumin

Progetto di ricerca - Paleo-circolazione di fluidi in zone di faglia mediante lo studio delle concrezioni diagenetiche

Il presente progetto di ricerca è focalizzato sullo studio delle concrezioni diagenetiche presenti nelle zone di deformazione (faglie e sistemi di fratture) con particolare riguardo ai sedimenti silicoclastici. L'importanza di approfondire questi temi di ricerca risiede nella possibilità di conoscere le relazioni che intercorrono tra le zone di faglia e la circolazione dei fluidi nel sottosuolo. Le implicazioni economiche del presente progetto di ricerca risiedono nella possibilità di potere prevedere il comportamento idraulico delle zone di faglia in acquiferi silicoclastici dove è presente un forte controllo tettonico e nello studio della migrazione ed accumulo di idrocarburi nei reservoir. Per eseguire questi studi è necessario analizzare le zone di faglia e le concrezioni ad esse correlate dal punto di vista geologico-strutturale, con particolare attenzione alle caratteristiche granulometriche, petrografiche e geochimiche. La circolazione selettiva dei fluidi può promuovere lo sviluppo di alterazioni diagenetiche di varie forme e dimensioni. Esse possono essere formate da diversi minerali, ma quelle più frequentemente studiate risultano essere composte da carbonati, oppure ossidi di ferro (Eichhubl et al., 2004). A seconda delle modalità di trasferimento di massa dei soluti all'interno dei fluidi (advezione vs diffusione), le alterazioni diagenetiche possono organizzarsi in masse di minerali di diverse forme e dimensioni e “bande di Liesegang” (e.g., Balsamo et al., 2013), queste ultime sono generate dalla diffusione di ossigeno molecolare all'interno di rocce ricche in fluidi contenenti ferro in soluzione allo stato ridotto (Beitler et al., 2005). La natura delle concrezioni è dipendente quindi da una serie di fattori che includono l'architettura strutturale delle zone di faglia, la tipologia di fluidi che hanno attraversato le rocce, l'interazione fluido-roccia, la velocità del flusso, le condizioni deposizionali e diagenetiche in cui è avvenuta la precipitazione delle concrezioni. Il primo passaggio di questo studio è la creazione di una cartografia di dettaglio a grande scala tramite rilevamento di terreno. In questo modo è possibile analizzare le relazioni geometriche che intercorrono tra le zone di faglia e le concrezioni. Le zone di faglia in cui sono presenti le concrezioni diagenetiche verranno studiate mediante analisi strutturali di dettaglio mirate a definire la cinematica delle faglie, l'entità del rigetto accumulato e l'estensione dei settori strutturali di cui sono composte (nucleo di faglia e zona di danneggiamento). Attraverso le zone di faglia saranno condotte misurazioni per definirne la permeabilità in situ utilizzando il permeametro ad aria. Sia sulle rocce di faglia che sulle concrezioni verranno condotte analisi di laboratorio sui campioni raccolti sul terreno per valutarne la granulometria. Alcuni campioni di concrezioni saranno destinati alla realizzazione di sezioni sottili per consentire osservazioni petrografiche con microscopio ottico e catodoluminescenza (studio dei cementi). L'analisi della paragenesi dei minerali presenti all'interno delle concrezioni e nelle rocce di faglia può fornire utili indicazioni in merito alle reazioni che hanno modificato i minerali, profondità di seppellimento e temperatura a cui le rocce sono state sottoposte durante il percorso diagenetico. Inoltre le concrezioni diagenetiche verranno analizzate anche dal punto di vista isotopico: lo studio della composizione degli isotopi stabili dell'ossigeno e del carbonio presenti all'interno dei cristalli di calcite, di cui le concrezioni carbonatiche sono composte, può fornire utili indicazioni sul processo diagenetico subito e sulle interazioni tra roccia e fluidi presenti nel sottosuolo. È previsto un periodo di studio all'estero di 3 mesi per la modellizzazione, dal punto di vista geochimico, della crescita delle alterazioni diagenetiche associate a deformazione.  Articolazione ed organizzazione delle attività di ricerca suddivise nei tre anni: 1° anno: studio delle concrezioni diagenetiche in contesto tettonico compressivo legate allo sviluppo di strutture plicative (Anticlinale di Quattro Castella, Appennino Settentrionale). 2° anno: studio delle concrezioni in sedimenti fluvio-deltizi poco consolidati associate a zone di faglia in bacini di forearc caratterizzati da distensione (Bacino di Crotone, Calabria Ionica). 3° anno: studio delle concrezioni all’interno di torbiditi mioceniche in contesti tettonici trascorrenti (esempi dal Mar Egeo Orientale, Isola di Limnos).

PhD project – Paleo-fluid flow within fault zones through diagenetic concretions analysis

This research project is aimed on the study of diagenetic concretions located within deformation zones (such as fracture systems and fault zones). The importance of these research topics is the possibility to know and better understand the relationships between fault zones and underground fluid flow. Economic implications related to the above described research topics are the chance to predict fault zones hydraulic behavior in siliciclastic sediments subjected to strong tectonic control and to understand hydrocarbons migration path and potential accumulation within reservoir. To perform such studies it is necessary to analyze fault zones and related diagenetic concretions from a structural-geologic point of view, paying massive attention to granulometric, petrographic and also geochemical characteristics. Selective circulation of fluids is able to promote the development of diagenetic concretions of various shapes and sizes. They can be built up of several minerals, but to the present day the most interesting and studied are composed of carbonates or iron oxides (Eichhubl et al., 2004). Depending on underground solutes mass transfer modality within fluids (advection vs diffusion), diagenetic alterations can be organized in mineral masses of different shapes and sizes and “Liesegang bands” (e.g., Balsamo et al., 2013), these last are produced by molecular oxygen diffusion through rocks rich in fluids with high contents of iron ions in solution (Beitler et al., 2005).
Concretions genesis is dependent on a series of factors including structural architecture of fault zones, types of fluids that interact with rocks, fluid-rocks reactions and interactions, depositional and diagenetic conditions in which concretions precipitation occurs. The first step of this study is the creation of a detailed cartography through structural-geologic terrain survey, to find out the geometric relations and arrangements between fault zones and diagenetic concretions. Fault zones hosting diagenetic concretions will be studied with structural analysis, aimed to define their kinematics, total displacement and width of main structural domains (fault core and damage zone). Throughout the fault zones measurements will be performed in order to determine in situ permeability, using a portable air permeameter. Both concretions samples and fault rocks will be studied thanks to laboratory analysis in order to better define granulometric characteristics. Other samples will be cut in thin sections to perform petrographic studies and concretions cements analysis using cathodoluminescence. In fact the study of concretions mineral paragenesis can provide useful information concerning chemical reactions, burial depth and temperature underwent by rocks during the diagenesis. Furthermore carbonate concretions will be studied from an isotopic point of view: analysis of concretions oxygen and carbon stable isotopes contained within calcite crystals can give information about the diagenetic process and underground fluid-rocks interactions. Over the three years of Ph.D al least three months will be spent abroad trying to model, from an isotopic point of view, diagenetic alterations growth associated with deformation (development of folds and faults). Ph.D organization and structural-geologic survey subdivision over three years of the research project: 1° year: Diagenetic concretions study in compressive structural context related to the development of a growing anticline (Quattro Castella Anticline, Northern Apennines, Italy). 2° year: Analysis of concretions in loose and poorly lithified fluvial-deltaic sediments deformed by extensional fault zones (Crotone Basin, Ionian Calabria, Italy). 3° year: Diagenetic concretions study within Miocene turbiditic sediments in transcurrent tectonic setting (examples from Eastern Aegean Sea, Limnos Island, Greece).

Bibliografia / Bibliography

Balsamo, F., Storti, F. and Gröcke, D. (2012). Fault-related fluid history in shallow marine sediments from carbonate concretions, Crotone basin, south Italy. Journal of Geological Society of London, v. 169, p. 613-626.
Balsamo, F., Bezzerra, F.H.R., Vieira, M.M. and Storti. F. (2013). Structural control on the formation of iron-oxide concretions and Liesegang bands in faulted, poorly lithified Cenozoic sandstones of the Paraíba Basin, Brazil. Geological Society of America Bulletin, v. 125, p. 913-931.
Beitler, B., Parry, W.T. and Chan, M.A. (2005). Fingerprints of fluid flow: chemical diagenetic history of the Jurassic Navajo sandstone, southern Utah, U.S.A. Journal of Sedimentary Research, v. 75, p. 547-561.
Eichhubl, P., Lansing Taylor, W., Pollard, D.D. and Aydin, A. (2004). Paleo-fluid flow and deformation in the Aztec Sandstone at the Valley of Fire Nevada. Evidence for the coupling of hydrogeologic, diagenetic, and tectonic processes. Bulletin of Geological Society of America, v. 116, p. 1120-1136.
Gunderson, K.L., Pazzaglia, F.J., Picotti, V., Anastasio, D.A., Kodama, K.P., Rittenour, T., Frankel, K.F., Ponza, A., Berti, C., Negri, A and Sabbatini, A. (2014). Unraveling tectonic and climatic controls on synorogenic growth strata (Northern Apennines, Italy). Geological Society of America Bulletin, v. 126, p. 532-552.
Mozley, P.S. and Goodwin, L.B. (1995). Patterns of cementation along a Cenozoic normal fault: A record of paleoflow orientations. Geology, v. 23, p. 593-542.
Mozley, P.S. (1996). The internal structure of carbonate concretions in mudrocks: a critical evaluation of the conventional concentric model of concretion growth. Sedimentary Geology, v. 103, p. 85-91.

Presentazioni a congressi e seminari / Conference contributions

  • Pizzati, M., Cavozzi, C., Magistroni, C., Storti (2016). Use of integrated analogue and numerical modelling to predict tridimensional fracture intensity in fault-related-folds. European Geosciences Union, General Assembly, Vienna, 17-22/04/2016 (presentazione orale).
  • Pizzati, M., Balsamo, F., Iacumin, P., Storti, F., (2016) Carbonate concretions in synkinematic Quaternary sediments as markers of paleo-fluid flow induced by the development of the Quattro Castella growth anticline, Northern Apennines, Italy. European Geosciences Union, General Assembly, Vienna, 17-22/04/2016 (presentazione poster).

 

Pubblicato Lunedì, 7 Marzo, 2016 - 12:20 | ultima modifica Giovedì, 10 Marzo, 2016 - 13:07