Faults linkage, damage rocks and hydrothermal fluid circulation: Tectonic interpretation of the Rapolano Terme travertines (southern Tuscany, Italy) in the context of Northern Apennines Neogene-Quaternary extension

Abstract.

The tectonic history of Neogene-Quaternary extensional structures has been documented in the inner part of the Northern Apennines (Rapolano Terme area) from Quaternary travertines and faults relationships. In particular, structural studies, field mapping and tectono-stratigraphical considerations on the pre-Neogene, Pliocene and Quaternary units indicate two fault populations of different ages. The travertines, broadly exposed in the Rapolano Terme area, were related to hydrothermal fluid circulation and upwelling along the damage zones of Pleistocene normal faults. These structures were superimposed upon normal (mainly NNW–SSE and SW–NE oriented) and transtensional (mainly SW–NE oriented) faults, Early–Middle Pliocene in age, related to development of the Siena Basin. The age of such Pliocene normal and transtensional faults has been inferred on the basis of the relationships between tectonic elements and Pliocene deposits. In fact, Middle Pliocene marine sandy and gravelly sediments suture the faults. The Pleistocene normal faults (mainly SW–NE oriented) reactivated the oldest SW–NE transtensional faults, cut the NNW–SSE normal faults, and displaced Middle Pliocene marine deposits. Pleistocene-Holocene travertines and present-day thermal springs mainly occur at the intersection points between the Pleistocene SW–NE faults and the Pliocene NNW–SSE normal faults, or along the SW–NE Pleistocene normal faults.

Riassunto.

Un nuovo studio basato sull’analisi strutturale di faglie collegate con la tettonica distensiva noegenico-quaternaria, sulla realizzazione di un nuovo rilevamento geologico di dettaglio condotto nell’area di Rapolano Terme e sulla considerazione dei rapporti tettono-stratigrafici tra le faglie ed i depositi pliocenico-quaternari, ha permesso di individuare la presenza di una evoluzione articolata delle strutture collegate con la tettonica distensiva. In particolare sono state individuate due popolazioni di faglie sviluppate in età diversa. I travertini che affiorano ampiamente nell’area di Rapolano Terme sono collegati alla circolazione ed alla emergenza di fluidi idrotermali lungo le zone intensamente fratturate associate a faglie di età Pleistocenica. Queste strutture si sono sovrapposte a faglie normali (principalmente orientate NNW-SSE) ed a faglie transtensive (principalmente orientate SW-NE) di età Pliocenica inferioremedia, collegate con lo sviluppo del Bacino di Siena. La sovrapposizione delle due popolazioni di faglie e la loro parziale riattivazione è stata documentata dallo studio degli indicatori cinematici riconosciuti lungo i piani di alcune faglie. L’età pliocenica della prima popolazione di faglie è stata dedotta mediante l’analisi dei rapporti tra tettonica e sedimentazione nei depositi pliocenici. Infatti sedimenti del Pliocene medio suturano le faglie dirette e transtensive. Le faglie dirette di età Pleistocenica, principalmente orientate in direzione SW-NE, hanno riattivato le più antiche faglie transtensive ugualmente orientate ed hanno dislocato le faglie dirette principalmente orientate in direzione NNW-SSE oltre che i depositi del Pliocene medio. Inoltre i travertini e le attuali sorgenti termali sono collocati sia in corrispondenza delle zone di intersezione tra le faglie dirette di età pleistocenica, orientate in direzione SW-NE, e le faglie dirette plioceniche, orientate in direzione NNW-SSE, sia lungo faglie orientate SW-NE di età pleistocenica.