GNGTS – Atti del 21° Convegno Nazionale / 10.15

V. Volpi (1), A. Camerlenghi (1), C.-D. Hillenbrand (2), M. Rebesco (1) e R. Ivaldi (3) (1) Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale – OGS, Trieste (2) Alfred Wegener Institute of Polar and Marine Research, Bremerhaven – Germania (3) Dipartimento per lo Studio del Territorio e delle sue Risorse, Università di Genova, Italia

EFFETTI DELLA SILICE BIOGENICA SULLA CONSOLIDAZIONE. MARGINE CONTINENTALE POLARE (PENISOLA ANTARTICA)

Riassunto. L’analisi delle proprietà fisiche derivate dai logs in pozzo e da misurazioni di laboratorio durante Il Leg 178 dell’ODP (Ocean Drilling Program) sul margine pacifico della Penisola Antartica, ha rivelato un trend anomalo nella porosità, densità, contenuto d’acqua e velocità. In particolare si assiste ad un generale aumento della porosità con la profondità a testimonianza della sottoconsolidazione dei sedimenti. Tutto ciò è in relazione con la quantità di silice biogenica, che risulta essere la causa delle anomalie riscontrate. Alla base di uno dei due pozzi considerati, un marcata diminuzione della porosità e corrispondente aumento della densità e velocità corrisponde un bottom simulating reflector (BSR) nelle sezioni sismiche, dovuto al processo di diagenesi della silice. Questo lavoro dimostra come le proprietà fisiche dei sedimenti marini fini possano essere considerate come indicatori della quantità di silice biogenica presente. L’alterazione diagenetica dei microfossili silicei viene considerata come possibile causa di instabilità lungo quei margini dove vi è presenza di “bottom simulating refelctors” (BSR) causati dalla diagenesi della silice. EFFECTS OF BIOGENIC SILICA ON CONSOLIDATION. POLAR CONTINENTAL MARGIN POLAR

CONTINENTAL MARGIN (ANTARCTIC PENINSULA)

Abstract. Analyses of physical properties measured on core and on discrete samples collected during Ocean Drilling Program (ODP) Leg 178 on the pacific margin of the Antarctic Peninsula, reveals anomalous trend in porosity, density, water content and P-wave velocity. In particular, there is evidence of a general increase increase of porosity with depth that suggests that the sediments are mostly undercompacted. It could be related to the presence of biogenic silica in the sedimentary section. At the base of one hole a sharp decrease of porosity, matching increasing bulk density and velocity, correspond to a bottom simulating reflector in the seismic section, produced by the silica diagenesis. This work shows how physical properties of shallow fine-grained marine sediments can be analysed as a basin-wide indicators of biogenic silica. The diagenetic alteration of siliceous microfossils is a possible cause of slope instability along world continental margins where bottom simulating reflectors related to silica diagenesis are present at a regional scale.

INTRODUZIONE La successione sedimentaria durante lo stadio iniziale di formazione viene

considerevolmente influenzata dal comportamento delle componenti terrigena e biogenica. In particolare, come conseguenza della presenza e della diagenesi dei microfossili silicei, la porosità e la densità possono evidenziare degli andamenti che non sono quelli di una sequenza sedimentaria che si compatta normalmente.

Ciò è stato messo in evidenza dall’analisi delle proprietà fisiche misurate sulle carote e derivate dai log di pozzo nell’ambito dell’ Ocean Drilling Program (ODP) Leg 178, sul margine pacifico della Penisola Antartica. Sono stati perforati tre siti su quelli che vengono definiti “sediment drifts”. Questi sono dei corpi sedimentari posti sul rialzo continentale, la cui formazione è controllata sia dalle correnti di fondo (bottom currents) sia dalle correnti do torbida (turbidity currents). In questo lavoro verranno

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considerati solo i siti 1095 e 1096, posti sul Drift 7, il più meridionale tra quelli presenti sul margine della Penisola Antartica.

DISCUSSIONE Questo lavoro nasce dall’analisi delle proprietà fisiche misurate sulle carote e

derivate dai log di pozzo nell’ambito dell’Ocean Drilling Program (ODP) Leg 178, sul margine pacifico della Penisola Antartica. Sono stati considerati i due pozzi (1095 e 1096) localizzati sul rise continentale (Fig. 1).

Dopo un confronto tra le curve di velocità disponibili, check shots (VSP), velocità di stack , misure su carote e velocità tomografiche, è stata fatta una correlazione tra i log ed i profili sismici.

Fig. 1 - Mappa di posizione.

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Fig. 2 - Correlazione tra velocità e unità stratigrafiche e litologiche.

Ciò ha permesso di determinare una relazione tempi (TWT) eprincipali unità stratigrafiche come proposte da Rebesco et al. (litostratigrafiche (Shipboard Scientific Party, 1999a, 1999b) (Fig. 2)

1095

19.

1096

profondità delle 97) e le unità

Al sito 1095, la

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correlazione tra i dati sismici ed i logs di pozzo è stata fatta utilizzando le velocità ottenuta dal”vertical seismic profiling” (VSP), mentre al sito 1096 sono state utilizzate le velocità derivante dall’inversione tomografica. Per entrambi i siti sono fornite le equazioni dell’interpolazione lineare e polinomiale. L’analisi delle proprietà fisiche ha messo in evidenza un trend anomalo nelle curve di porosità, densità, contenuto d’acqua e velocità anche dopo eventuali correzioni da possibili errori o artefatti (Volpi et al., 2001). L’anomalia si manifesta con un anomalo trend di consolidazione, che include un minimo nella porosità a circa 100 mbsf (meters below seafloor) e centinaia di metri di porosità costante o che aumenta con la profondità (Fig. 5). In conseguenza di ciò, la sezione sedimentaria trattiene una grossa quantità di fluidi che è la causa degli alti valori di porosità. Da cui si può concludere che la successione sedimentaria risulta sottoconsolidata. Inoltre, alla base del pozzo 1095 si assiste ad una brusca diminuzione della porosità dovuta, secondo la nostra interpretazione, al processo diagenetico della silice (trasformazione Opal A/Opal CT) e rappresentato sulla sezione sismica da un cambiamento nella riflettività del segnale sismico che segue l’andamento del fondo mare (Fig. 3).

Fig. 3 - Linea IT95-135/135 A e line drawing.

Per questa sua caratteristica viene chiamato BSR (Bottom Simulating Reflector), da non confondersi con quello associato alla presenza di gas idrati.

L’espulsione dell’acqua interstiziale durante la sedimentazione può venir ostacolata da vari fattori tra i quali un rapido tasso di sedimentazione, stress tettonici, bassa permeabilità dei sedimenti o dalla presenza di sedimenti argillosi. Come

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dimostrato da precedenti studi originati da perforazioni ODP (Ocean Drilling Program) o DSDP (Deep Sea Drilling Project) in aree ad alta latitudine, anche la presenza di silice biogenica può influire sulle proprietà fisiche dei sedimenti marini.

In particolare, la presenza di clasti biosilicei produce uno stato di apparente sovraconsolidazione durante i test di laboratorio a causa della cementazione e della interconnessione tra frammenti di diatomee che formano una struttura rigida all’interno del sedimento, come evidenziato dalle sezioni sottili ottenute da campioni posti a circa 150 mbsf (Fig. 4). Ciò conferisce maggior rigidità e previene l’eliminazione dei fluidi all’aumentare del carico sedimentario, come evidenziato dall’andamento non decrescente della curva dei porosità al di sotto dei primi 70-100 m costituiti da sedimenti normal-consolidati. Il fronte diagenetico della silice è evidenziato nelle proprietà fisiche da una diminuzione della porosità ed un corrispondente aumento della densità e della velocità delle onde P (Fig. 5 Site 1095). Esso viene rappresentato dalla sismica come un singolo riflettore che segue l’andamento del fondo mare (BSR - Bottom Simulating Reflector) ed è stato interpretato come dovuto alla diagenesi della silice per analogia con altri BSRs osservati in altre zone sul margine pacifico della Penisola Antartica (Fig. 3) (Rebesco et al., 1997; Lodolo e Camerlenghi, 2000).

Fig. 4 - Sezioni sottili da campione posto a 150 mbsF (meters below seafloor).

La trasformazione diagenetica produrrebbe consolidazione (a causa della

dissoluzione dei microfossili silicei con conseguente distruzione della struttura rigida), vedi diminuzione della porosità alla base del pozzo 1095, e rilascio dei fluidi interstiziali verso i sedimenti sovrastanti, attraverso dei condotti verticali (faglie) che interessano sia i riflettori più profondi che il fondo mare. La sequenza sedimentaria sopra il fronte diagenetico viene così interessata da creep gravitativo lungo l’orizzonte in sovrappressione che corrisponde proprio al fronte diagenetico (Fig. 6).

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Fig. 5 - Proprietà fisiche ai pozzi 1095 e 1096. CONCLUSIONI

Abbiamo evidenziato come la presenza di una moderata quantità di silice

biogenica in una sequenza sedimentaria costituita da materiali fini possa influenzare lo stato di consolidazione e la stabilità del fondo mare.

I 100 m superiori della sequenza sedimentaria (Quaternario) contenenti una bassa quantità di silice biogenica, si comportano normalmente in termini di consolidazione. Le sottostanti sequenza plioceniche, con una quantità di opale pari a 20-40% sono sottoconsolidate e ritengono una grossa quantità di acqua a discapito della riduzione di volume. A 490-500 mbsf inizia il processo diagenetico con la trasformazione Opal A/Opal CT. Questo processo induce la dissoluzione dell’ opal A producendo sovrappressione. I fluidi vengono così espulsi verso l’alto attraverso un sistema di faglie normali che dislocano sia il fondo mare che i riflettori più profondi. A causa della sovrappressione si ha una riduzione dello stress effettivo e la sequenza sedimentaria al di sopra del fronte diagenetico viene così interessata da un movimento di tipo “creep gravitativo” lungo lo strato che coincide con il fronte diagenetico. Analisi sulla presenza di silice biogenica e suoi effetti sulla

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consolidazione devono essere tenuti in considerazione in studi di “basin analysis” su sedimenti di margini polari.

Fig. 6 - Modello schematico.

BIBLIOGRAFIA

Rebesco M., Larter R.D., Barker P.F., Camerlenghi A., and Vanneste L.E., 1997. The history of

sedimentation on the continetal rise west of the Antarctic Peninsula. In Barker P.F., and Cooper A.K., (eds.) , Geology and Seismic stratigraphy of the Antarctic Margin (Pt.2). Am. Geophys. Union, Antarctic Res. Ser., 71:29-50.

Lodolo, E., & Camerlenghi, A., 2000. The occurence of BSRs on the Antarctic margin. In M.D. Max, (Ed.) Natural gas Hydrate in Oceanic and Permafrost Environments. Kluwer Academic Publ., Dordrecht, 199-213.

Shipboard Scientific Party, 1999a. Explanatory notes. In Barker, P.F., Camerlenghi, A., Acton, G.D., et al., Proc. ODP, Init. Repts., 178, 1-66 [CD-ROM]. Available from: Ocean Drilling Program, Texas A&M University, College Station, TX 77845-9547, U.S.A

Shipboard Scientific Party1999b. Site 1095. In Barker, P.F., Camerlenghi, A., Acton, G.D., et al., Proc. ODP, Init. Repts., 178, 1-173 [CD-ROM]. Available from: Ocean Drilling Program, Texas A&M University, College Station, TX 77845-9547, U.S.A.

Volpi, V., Camerlenghi, A., Moerz, T., Corubolo, P., Rebesco, M., and Tinivella, U., 2001. Data report: Physical properties relevant to seismic stratigraphic studies, continental rise Sites 1095, 1096, and 1101, ODP Leg 178, Antarctic Peninsula. In Barker, P.F., Camerlenghi, A., Acton, G.D., and Ramsay, A.T.S. (Eds.), Proc. ODP, Sci. Results, 178 [Online]. Available from World Wide Web: http://www-odp.tamu.edu/publications/178_SR/chap_17/chap_17.htm