Evolution, formation mechanism and kinematics of a contractional shallow shear zone within sedimentary rocks of the Northern Apennines (Italy)

Abstract.

Integration of a meso- and microstructural study with illite-cristallinity, X-ray and SEM analyses allow us to describe the fabric, kinematics, evolution and formation mechanism of a shallow level shear zone, developed during thrusting within the Tuscan Nappe, the deepest non metamorphic tectonic unit of the Northern Apennines. This shear zone has been described for the Mt. Aquilaia area, located west of the Mt. Amiata geothermal area. Shearing took place during the Late Oligocene-Early Miocene and accompanied the superimposition of Middle Jurassic carbonate rocks (Marne a Posidonomya Fm.) on the Eocene-Oligocene pelagic sequence (Scaglia Toscana Fm.). The shear zone, less then 10 m in thickness, consists of strongly deformed rocks which can be subdivided in three shear zone domains characterised by different structures indicating top-to-the-east shearing. The A domain (about 1 m thick) is characterised by an highly damaged zone composed of a clayey gouge with centimetre and decimetre limestone clasts dispersed within the clayey “matrix”. The B domain (max 4 m thick) consists of detached and overturned decimetre folds, a pervasive tectonic foliation, reverse faults and s-c structures which affected the Jurassic calcareous rocks. The C-domain (max 2 m thick) consists of s-c structures. The shear zone developed through two uninterrupted stages of a single episode of deformation: the first stage produced the highly damaged zone within the Scaglia Toscana clayey rocks (A-domain) and the folding within the Marne a Posidonomya calcareous rocks (B-domain); the second stage concentrated on the A-domain, caused the detachment of the folds and the development of reverse faults within the B-domain, and produced the development of S-C structures within the C-domain. During shearing, strain was partitioned. Strain partitioning was mainly controlled by different processes, such as: (a) lithological contrast, (b) lithological anisotropy and (c) fluid-assisted deformation and related metamorphic reactions. Pressure solution and solution transfer are the mechanisms which produced the S1 foliation. A very low-grade metamorphism affected only the very strongly deformed pelitic dominantly rocks. The metamorphism produced the development of new clay minerals (illite-illite/smectite), only developed within the cleavage domains of the folded rocks. This has been interpreted as mainly due to deformation heating, coupled with fluid circulation associated with cleavage development.

Riassunto.

L’integrazione di uno studio meso- e microstrutturale, dell’analisi della cristallinità dell’illite, di analisi a raggi X e condotti con il microscopio a scansione elettronica (SEM) hanno permesso di analizzare il fabric, la cinematica, l’evoluzione ed i meccanismi di formazione di una zona di taglio compressiva che si è sviluppata entro la Falda Toscana, la più profonda delle unità non metamorfiche dell’Appennino Settentrionale. Questa zona di taglio affiora nell’area di Monte Aquilaia, ad ovest dell’area geotermica del Monte Amiata. Lo sviluppo di questa struttura ha permesso la sovrapposizione delle rocce carbonatiche del Giurassico medio, appartenenti alla formazione delle Marne a Posidonomya, sulla successione pelagica eocenico-oligocenica della Scaglia Toscana. La zona di taglio è spessa mediamente meno di una decina di metri ed è suddivisibile in tre domini caratterizzati da diverse strutture. Il dominio A, discontinuo, è spesso al massimo un metro ed è caratterizzato da un gouge di faglia sviluppato a spese delle argilliti e calcari della Scaglia Toscana. Entro tale zona intensamente deformata sono presenti clasti calcarei centimetrici e decimetrici immersi nel gouge argillitico. Il dominio B, sviluppato entro i calcari giurassici, è caratterizzato da pieghe decimetriche rovesciate e sradicate, da una pervasiva foliazione tettonica, da faglie inverse e strutture S-C. Il dominio C è caratterizzato da strutture S-C. Tutte queste strutture indicano un senso di taglio verso est. Lo sviluppo della zona di taglio è avvenuto senza soluzione di continuità, mediante due principali stadi: il primo ha permesso lo sviluppo del dominio A deformando il livello argilloso immediatamente a contatto con le rocce calcaree sovrascorse, entro le quali si sono sviluppate pieghe. Il secondo stage ha amplificato la deformazione entro il dominio A, ha causato lo scollamento delle pieghe entro le Marne a Posidonomya, lo sviluppo di faglie inverse e delle strutture S-C. Durante la sviluppo della zona di taglio si è verificato una ripartizione della deformazione, principalmente controllata da: a) contrasto litologico, b) anisotropia litologica e c) circolazione di fluidi e processi di metamorfismo ad essi collegati. Lo sviluppo della foliazione tettonica è riferibile a meccanismi di pressure solution e solution transfer. Entro le rocce più intensamente deformate si è innescato un processo di metamorfismo molto basso che ha dato luogo allo sviluppo di minerali argillosi, quali l’illiteillite/ smentite. Lo sviluppo di metamorfismo molto basso entro i livelli a deformazione concentrata è messo in relazione al locale incremento di temperatura dovuto alla deformazione unitamente alla circolazione di fluidi favorita dal meccanismo di pressure solution.