FRATTURE E FAGLIE - III - University of Cagliari · Geologia Strutturale Relazioni tra pieghe e...

24/10/2017

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Corso di

GEOLOGIA STRUTTURALE Docente: Antonio Funedda

FRATTURE E FAGLIE - III

CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE

A.A. 2017-2018

Faglie dirette (o normali) Geologia Strutturale

In genere non si ha inversione del

principio di polarità stratigrafica,

a meno che la faglia non interessi

rocce già deformate. Viene

considerata anche come un

contatto tettonico sottrattivo, in

quanto alcuni termini della

successione litostratigrafica

possono essere elisi dalla faglia.

• 1 verticale

• raccorciamento verticale (parallelo a 1 ) ed estensione orizzontale (parallela a 3 )

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Faglie dirette (o normali) Elementi di Geologia Strutturale

Effetto apparente di rigetto nel caso di Faglie normali

Apparente ripetizione stratigrafica

Apparente rigetto orizzontale destro

Apparente rigetto orizzontale sinistro

Apparente assenza di rigetto da Twiss & Moores , 1992

Faglie dirette (o normali) Elementi di Geologia Strutturale

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Faglie dirette (o normali) Geologia Strutturale

Faglie estensionali N.B. non tutte le F. estensionali sono faglie normali.

© Cambridge University Press 2016

Aspetto e spostamento nelle Faglie Dirette Geologia Strutturale

La forma delle faglie dirette sulla superficie topografica ha un andamento curvilineo, non solo

per l'interferenza con la morfologia del terreno, ma anche perché le F. stesse hanno una

superficie non piana

La forma in profondità può cambiare, al variare dell'immersione del piano di faglia:

FAGLIE LISTRICHE.

In F. dirette ideali lo spostamento è parallelo alla direzione d'immersione. Se l'orientazione della F. cambia lo spostamento del blocco fagliato a tetto (considerato rigido) potrebbe non essere ovunque parallelo all'immersione.

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FAGLIA LISTRICA

Geologia Strutturale

Lo spostamento può essere

rotazionale o non rotazionale: se

l'immersione è costante nella

direzione di spostamento e la F.

stessa non ruota il blocco mantiene

la stessa giacitura

In F. listriche la rotazione del blocco

a muro (Anticlinale di "roll over")

avviene in genere lungo un asse

parallelo alla direzione della F.

Se la F. cambia inclinazione nella

successione a tetto si possono

formare sinclinali di rampa nel

caso che due segmenti della F.

siano uniti da un segmento più

inclinato (caso A) o anticlinali se il

segmento di collegamento è meno

inclinato (caso B).

Piegamenti associati alle Faglie Dirette Geologia Strutturale

Spostamento in F. dirette con geometria "Ramp-flat" e deformazione caratteristica del blocco a tetto.

da Twiss & Moores , 1992

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Piegamenti associati alle Faglie Dirette Geologia Strutturale

© Cambridge University Press 2016

Faglie di crescita (Growth fault) Geologia Strutturale

Lo spostamento lungo la superficie della faglia avviene durante la sedimentazione.

Lo spessore della successione a tetto è maggiore di quella coeva a muro.


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Misura della estensione associata a faglie dirette Geologia Strutturale

In genere è possibile stimare l’estensione analizzando la geometria della faglia Estensione => e = (l –L)/L

Condizioni: 1. Orientazione uniforme 2. Estensione totale uguale alla somma dell'estensione su ogni singola faglia

F. non rotazionali Per una singola faglia => L = d cos

F. rotazionali Si assume in più che: a) la strato fosse inizialmente orizzontale; b) le F. abbiano in media la stessa orientazione, spaziatura e direzione di movimento.

e = (ABf – ABi) / AB i =>

e = d/L (cos +cos –1)

d/L = sen /sen =>

sen ( ) = sen cos + sen cos

Estensione e = [sen ( ) / sen ] –1


Associazione strutturale di faglie dirette Geologia Strutturale

Sistemi di faglie dirette molto inclinate con senso di movimento opposto

individuano blocchi (aree) sollevati (horst) o blocchi abbassati (graben).

Graben di decine di km di larghezza e centinaia di km di lunghezza sono detti rift.

Caratterizzano aree in estensione.


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Modello cinematico della formazione di un Graben (= descrizione dei movimenti che sono avvenuti lungo la faglia)


I volumi di roccia interessati da una faglia devono essere conservati, a meno di fenomeni di dissoluzione.

Anticlinale di “roll over”

Con superfici di faglia

non planari con il

procedere

dell’estensione si

avrebbe lo sviluppo di

vuoti, che vengono

occupati da un

abbassamento del

tetto con pieghe

(anticlinale di roll-over)

oppure con faglie.


Geologia Strutturale Modello cinematico della formazione di un Graben (= descrizione dei movimenti che sono avvenuti lungo la faglia)

La rotazione lungo una faglia listrica è accomodata da faglie sintetiche

I vuoti creati lungo il contatto di scollamento basale (detachment) possono essere chiusi da faglie antitetiche

Un altro modello prevede altre faglie listriche radicate nel contatto di scollamento basale.

L’inclinazione degli strati aumenta allontanandosi dalla faglia principale nella direzione dello scorrimento

I vuoti triangolari (gap) esistono perché ammettiamo un comportamento rigido! da Twiss & Moores , 1992

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Metamorphic core complex

da Fossen, 2010


da Fossen, 2010 © Cambridge University Press 2016

Rift attivi: dovuti alla risalita del mantello. Rift passivi: controllati dal movimento delle placche tettoniche. Semi graben:

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Estensione sin-orogenica e collasso orogenico

da Fossen, 2010


Estensione sin-orogenica e collasso orogenico

da Fossen, 2010

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Estensione post-orogenica

da Fossen, 2010 © Cambridge University Press 2016


Collasso gravitativo

da Fossen, 2010

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Estensione alla scala litosferica

L’estensione nella crosta al di sotto del

limite fragile-duttile avviene per

deformazione duttile

Modello per taglio puro

Modello per taglio semplice

L’estensione nella crosta al di sotto

del limite fragile-duttile avviene per

deformazione duttile e la faglia

termina alla base della litosfera. Il

contatto basale è marcato da una

fascia milonitica molto ampia.

L’immersione delle faglie dirette è in

genere sintetica

Modello di Wernicke & Burchfield


Faglie inverse Geologia Strutturale

Raccorciamento orizzontale porta a faglie inverse e sovrascorrimenti (è solo differente l’inclinazione).

Rapporti di sovrapposizione lungo una faglia inversa

Inclinazione Faglie inverse > 30° Sovrascorrimenti (Thrust) < 30°


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Effetto apparente di rigetto nel caso di Faglie inverse

Apparente "sottrazione" stratigrafica Apparente rigetto orizzontale destro

Apparente rigetto orizzontale sinistro Raddoppio tettonico



Casi particolari

Non viene rispettata la regola: vecchio su giovane!

da Allmendinger

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A. La deformazione non è più

accomodabile dalla piega e una F.

inversa taglia il fianco più inclinato

o rovesciato

B. Piega formata per propagazione

della F.inversa (Fault-propagation

fold)

C. Faglia inversa che si genera da

una piega per assottigliamento e

lacerazione del fianco rovescio

(Piega-Faglia).

Rapporti tra pieghe e faglie inverse Geologia Strutturale



Contesto geodinamico Tipo andino: sovrascorrimenti antitetici (= vergenti verso il retropaese)

Tipo himalayano: sovrascorrimenti sintetici (= vergenti verso l'avanpaese)

da Allmendinger

da Allmendinger

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Contesto geodinamico

Thick-skinned Thin-skinned

Thin-skinned

Sistemi di sovrascorrimenti Geologia Strutturale

Terminologia

Décollement – sovrascorrimento basale, generalmente sovrappone rocce indeformate su un basamento precedentemente deformato.

Thick-skinned – Generalmente intesa quando nei sovrascorrimenti viene coinvolto anche il

basamento (tettonica di zoccolo).

Thin-skinned – Generalmente intesa quando nei sovrascorrimenti viene coinvolto solo copertura (tettonica di copertura). Alloctono – un volume di roccia che è stato spostato dalla sua area di formazione (bacino o altro) originale. Autoctono – un volume di roccia che non è stato spostato rispetto alla sua area di formazione originale. Parautoctono - un volume di roccia che è stato spostato dalla sua area di formazione in quantità molto minore rispetto alle rocce circostanti.

Klippe – blocco isolato di rocce che testimonia l'estensione di una falda a scala maggiore, per cause erosive o legate ad una tettonica successiva. Finestra tettonica – area interna ad un'unità alloctona dove affiora l'unità autoctona sottostante il sovrascorrimento.


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Concetti base

Regole principali sulla geometria a

"Ramp-flat" (Dahlstrom, 1969;1970)

I sovrascorrimenti:

1) tendono a interessare i terreni più

recenti nella direzione di trasporto

tettonico.

2) sono paralleli alla stratificazione nei

livelli incompetenti e attraversano quelli

competenti.

3) sono sempre più recenti procedendo

verso la direzione di trasporto tettonico.

Queste regole si basano sull'assunto

che i sovrascorrimenti interessino una

successione sedimentaria sub-

orizzontale e indeformata.

Sistemi di sovrascorrimenti

Geologia Strutturale Sistemi di sovrascorrimenti

Il raccorciamento porta progressivamente allo sviluppo di una serie di sovrascorrimenti in sequenza che possono aver due versi di propagazione

1. Verso la zona esterna (non deformata), ed è il caso più comune

2. Verso la zona interna, più raro

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Esempio di sovrascorrimenti che si propagano verso la zona esterna

zon

a

est

ern

a

zon

a

inte

rna

I sovrascorrimenti interessano la successione a muro propagandosi verso la zona esterna. I duplex sono prodotti per progressivo avanzamento del sovrascorrimento di base (floor thrust) verso il muro ed inglobandone frammenti come scaglie (horse) nel tetto (hanging wall).

La quantità di spostamento della scaglia che sovrascorre oltre la sua rampa frontale influenza la geometria del sovrascorrimento di tetto e quindi del sistema.




Antiformal stack: Il piegamento è successivo alla formazione di thrust, si hanno se lo spostamento porta il tip di ogni scaglia oltre il punto dove emergerà la rampa successiva.

Hinterland dipping duplex: si hanno se il rigetto è relativamente piccolo, rispetto alla lunghezza della rampa. Se è minore o maggiore il sovrascorrimento di tetto avrà una struttura irregolare.



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Foreland dipping duplex: si hanno se lo spostamento è ancora maggiore, e solo la parte più arretrata della scaglia più recente sovrasta il fronte della scaglia in formazione


Geologia Strutturale Sistemi di sovrascorrimenti Pieghe legate ai sovrascorrimenti

Spesso ai sovrascorrimenti sono associati pieghe asimmetriche con un fianco sub-verticale o addirittura rovesciato

Spiegazioni proposte dai diversi autori possono essere sintetizzate come segue (Suppe & Medwedeff, 1990):

1) Si formano prima le pieghe BREAK-THRUST MODEL 2) Si formano prima i sovrascorrimenti FAULT-BEND FOLDING 3) Sovrascorrimenti e pieghe si formano contemporaneamente FAULT-PROPAGATION

FOLDING

BREAK-THRUST

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Geologia Strutturale Sistemi di sovrascorrimenti Pieghe legate ai sovrascorrimenti

da Allmendinger

Geologia Strutturale Sistemi di sovrascorrimenti Pieghe legate ai sovrascorrimenti - differenze

Interpretazione preferibile per aree dove le strutture si possono estendere a gran profondità, dove il raccorciamento è relativamente piccolo e non si può trasferire in strutture adiacenti.

Generalmente ammettono una profondità del sovrascorrimento di base minore rispetto alle Fault-propagation folds. Non giustificano anticlinali e sinclinali a muro con fianchi rovesciati.

La profondità del sovrascorrimento basale (décollement) dipende dal grado di disarmonia delle pieghe alla base.

da Allmendinger

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Geologia Strutturale Relazioni tra pieghe e faglie

(fault-bend e fault-propagation folding)

Analisi cinematica e geometrica

Per l'interpretazione geometrica di sistemi di thrust e pieghe correlate possono essere fatte alcune

assunzioni:

•Non esistono vuoti come risultato del movimento lungo la faglia.

•Il passaggio tra la rampa ed il piano (flat) è netto.

•Lo spessore ortogonale degli strati nel blocco deformato è costante.

•La lunghezza degli strati nel blocco deformato è conservata.

•Gli strati che non vengono "coinvolti" nel piegamento non si deformano.

Inoltre:

•Il piegamento avviene per flexural slip (piegamento per taglio concentrico).

•Le pieghe hanno una geometria tipo kink (pieghe coniugate) e sono di tipo simile (classe 2).

Geologia Strutturale Relazioni tra pieghe e faglie

Analisi cinematica di Fault-bend fold

Le linee tratteggiate indicano la giacitura se gli strati non fossero deformati = angolo di piegamento della faglia (tra ramp e flat); = angolo di cut-off iniziale; = angolo di cut-off finale; = angolo di interlembo, bisecato dal piano assiale; = angolo di piegamento; 180

5,05,0cos

5,0

sensensen

sensensentg

La relazione tra questi parametri permette di ricavare la seguente relazione:

Se il piano è orizzontale e quindi:

cos2

sentgtg

da Twiss & Moores, 1992, mod. da Suppe, 1983

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Published in "Bulletin de la

Société Géologique de France"

179(3): 297-314, 2008"

Geometria di sviluppo e cinematica nel retropaese:

Ipotesi A: lo spostamento nella zona di thrust e pieghe è compensato da una zona di estensione con faglie

listriche dirette


La zona di thrust e pieghe è dovuta al collasso

del cuneo orogenico nella zona assiale della

catena. Il thrust basale si immrge in una “zona di

radice” (root zone)

Ipotesi C: Il raccorciamento e la compressione

sono legati alla subduzione che costituirebbe il

thrust basale

Ipotesi B: Il basamento di deforma non solo per sovrascorrimenti ma anche per deformazione duttile.


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Misura dello spostamento lungo un sovrascorrimento Geologia Strutturale

Direzione e senso dello spostamento: •In genere è perpendicolare alla direzione dei sovrascorrimenti (se l’entità dello spostamento è costante). •I sovrascorrimenti tagliano la successione stratigrafica verso i terreni più giovani. •La direzione è determinabile dalle finestre tettoniche e dai klippe.



Misura dello spostamento lungo un sovrascorrimento

Misura del raccorciamento in una Faglia inversa o sovrascorrimento

Nel caso di una singola faglia il raccorciamento L è legato al rigetto d e all'inclinazione della faglia.


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Misura dello spostamento lungo un sovrascorrimento Geologia Strutturale

SCHEMA TETTONICO E PROFILO

SCHEMATICO DEL BASAMENTO

ERCINICO DELLA SARDEGNA SE

da Carmignani et al., 2001

Sovrascorrimenti in panorama, in carta ed in profilo Sovrascorrimento di Orbai (Sulcis settentrionale) da Funedda et al., in stampa


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Faglie trascorrenti Dipartimento di Scienze della Terra - Cagliari Geologia Strutturale

1 e 3 orizzontale, 2 verticale (direzione di non deformazione nel modello dinamico di Anderson)

Vengono definite destre o sinistre a seconda della direzione di movimento del blocco opposto a quello dove è posizionato l'osservatore (è una definizione non ambigua, qualsiasi blocco si prenda in considerazione)

Il punto di osservazione per meglio determinarle è perpendicolarmente al vettore di spostamento e quindi dall'alto.

Effetto apparente di rigetto nel caso di Faglie trascorrenti


Un problema di nomenclatura internazionale

Tettonica trascorrente = Strike-slip tectonics

Strike-slip => comprende le categorie delle:

Transform faults e Transcurrent faults => due diversi contesti geodinamici.

TANSFORM FAULT = F. Trasformi s. l.: delimitano i margini di placche litosferiche (margini di tipo

differente rispetto a quelli convergenti e divergenti, definizione di Tuzo Wilson , 1960).

TRANSCURRENT FAULT = F. Trascorrenti: interessano soprattutto la crosta.

Il termine wrench è spesso usato come sinonimo di strike slip, ma in realtà è nato come

indicativo di faglie che interessano sia un basamento cristallino che la copertura sedimentaria

(sensu Wilcox et al., 1973).

Faglie trascorrenti Geologia Strutturale

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Diversi contesti geodinamici Faglie trascorrenti Geologia Strutturale

Alcune faglie costituiscono un margine di

placca anche in contesto litosferico

continentale: è il caso di:

•Faglia di San Andreas (California),

•Alpin Fault (Nuova Zelanda),

•Faglia Nord Anatolica (Turchia).

Faglie tipicamente intra-continentali

(all'interno di una placca) sono:

•Faglia dell'Altyn Tahg (Tibet),

•Linea Insubrica (Alpi italo-svizzere),

•Garlock Fault (Nevada),

•Faglia delle Cévennes (Francia)

•Faglia di Nuoro (Sardegna)

da Sylvester, 1988

Faglie trasformi Geologia Strutturale

F. Trasformi s.s. (dislocano le dorsali oceaniche)

Le differenze tra F. Trascorrenti e F.

Trasformi:

•geometrica: la posizione dei punti finali

(tip point);

•cinematica: come varia il rigetto rispetto

la lunghezza;

•temporale: come evolve la faglia nel

tempo.

da Allmendinger

F. trascorrente F. trasforme

da Fossen, 2010

Geometrica: una F. trasforme nelle sue terminazioni incontra altre strutture, compressive o estensionali ( ad es. margini divergenti).

F. Trasformi s.l. (margini di placca)

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Rigetto lungo una faglia trasforme: può essere superiore alla sua lunghezza

da Van Der Pluijm & Marshah, 2004

Rigetto lungo una faglia trascorrente: diminuisce dai tratti più vecchi a quelli più giovani

Sviluppo di una faglia trascorrente:

Faglie trascorrenti minori Geologia Strutturale

• Tear Fault (es. Regione del Giura- Svizzera) in genere sono

ortogonali all’orientazione della catena e accomodano la

differente dislocazione nelle falde di ricoprimento.


•Faglie di Trasferimento trasferiscono il movimento da una

struttura all'altra, sia essa una piega o una faglia, o un sistema di

faglie

da Fossen, 2010

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•1) Direzione di spostamento orizzontale dominante

•2) Giacitura in genere subverticale

•3) Grande continuità di evidenze topografiche

•4) Presenza di numerose elementi strutturali legati ad una fascia di trascorrenza (esperimento

di Riedel)

•5) Contemporaneità di strutture distensive ed compressive

•6) Disposizione “en echelon” delle strutture associate

•7) Concentrazione in una zona ristretta della deformazione

Caratteristiche principali delle Faglie trascorrenti


•2) Giacitura in genere subverticale

da Harding, 1985

Caratteristiche principali

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•3) Grande continuità di evidenze topografiche

da Sylvester, 1988



•5) Contemporaneità di strutture distensive e compressive

Pieghe

Fratture R e R’

Faglie normali

Faglie inverse

Tutte le strutture insieme

•4) Presenza di numerose elementi strutturali legati ad una fascia di

trascorrenza (esperimento di Riedel)


da Sylvester, 1988

da Allmendinger


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•5) Contemporaneità di strutture distensive e compressive

•4) Presenza di numerose elementi strutturali legati ad una fascia di trascorrenza (esperimento di Riedel)



da Fossen, 2010



da Fossen, 2010

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•6) Formazione di pieghe disposte “en echelon”


da Sylvester, 1988

Zona trascorrente destra

Zona trascorrente sinistra Generalmente mostrano una

rotazione verso la zona di taglio principale con il progredire della deformazione. Nelle fasi finali tendono a essere distrutte dalle strutture fragili.





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•7) Concentrazione in una zona ristretta della deformazione

Si ha un fenomeno di concentrazione della deformazione lungo al Faglia principale per progressivo indebolimento della zona dove si sviluppano le fratture e le pieghe durante gli stadi iniziali della trascorrenza


Geologia Strutturale Transpressioni e transtensioni

da Fossen, 2010

Si verificano quando al movimento trascorrente si aggiunge una componente convergente o

divergente dovuta a:

•variazioni del contesto geodinamico (es.:convergenza obliqua tra le placche);

•variazioni locali dell’orientazione della faglia (curvature: restraining e releasing)

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Si verificano quando al movimento trascorrente si aggiunge una componente convergente o

divergente dovuta a:

•variazioni del contesto geodinamico (es.:convergenza obliqua tra le placche);

•variazioni locali dell’orientazione della faglia (curvature: restraining e releasing)

prevalenza di strutture estensionali

In sezione verticale:

strutture a fiore negative

prevalenza di strutture compressive

In sezione verticale: strutture

a fiore positive

Regime transpressivo

Regime transtensivo



da Fossen, 2011

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Bacini Transtensivi

•Elevato spessore dei sedimenti per migrazione dei depocentri in direzione opposta allo spostamento della faglia verso l'ara sorgente (non misurato quindi sulla verticale al centro del bacino, ma misurato come nel disegno a fianco).

Elementi di Geologia Strutturale

da Crowell, 1982

Vista perpendicolare alla faglia (Ridge Basin, Nevada)

•Sedimentazione influenzata dai margini di faglia attivi ai bordi e di ambiente lacustre o poco profondo al centro. •Facies sedimentarie disposte in facies allungate secondo la direzione di trascorrenza. •Presenza di numerose discordanze •Presenza di attività magmatica

•Rapporto elevato tra lunghezza e larghezza (almeno 3:1 nei bacini giovani).

Bacini Transtensivi Elementi di Geologia Strutturale

Bacino di Erzincan, Turchia, lungo la faglia Nord-Anatolica

da Hempton & Dunne, 1984

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Un esempio in Sardegna: Bacino transtensivo di Chilivani-Berchidda



A) Transtensione (secondo Sanderson & Marchini, 1984); B) Schema strutturale della struttura transtensiva terziaria del Bacino C.B.

Rappresentazione schematica in 3D del Bacino di Chilivani-Berchidda (da Oggiano et al., 1995)

Un esempio in Sardegna: Bacino transtensivo di Chilivani-Berchidda

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Transpressioni Elementi di Geologia Strutturale

Un esempio in Sardegna: Transpressione Terziaria del Monte Albo

1) Carta geologico-strutturale schematica del M. Albo. 2) Schema sinottico: A) Trascorrenza pura; B) Transpressione; C) Schema strutturale e modello della struttura transpressiva del M. Albo

Transpressioni Elementi di Geologia Strutturale


1 2

da Carmignani et al., 1992,

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Elementi di Geologia Strutturale


Transpressioni

da Carmignani et al., 1992,

Esempi di aree soggette a tettonica trascorrente Elementi di Geologia Strutturale

Bassa California: Faglia di San Andreas e zona di “restraining” lungo la curvatura sinistra (“left bending”).

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Medio-oriente : Faglia trascorrenti peri-arabiche. Tettonica di estrusione del blocco anatolico a causa del movimento verso N della placca arabica.


Catena Himalayana: “escape tectonics” del blocco tibetano a causa della “indentazione” verso N della placca indiana. da Fossen, 2010

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Tettonica trascorrente Dipartimento di Scienze della Terra - Cagliari Elementi di Geologia Strutturale

Modellizzazione in laboratorio della tettonica

di “indentazione”.

a, b e c: senza aree oceaniche libere.

d, e e f: con area oceanica libera e

conseguente “escape tectonics” , 1992

da Tapponnier, 1977

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