Characterization of fold-related fractures in the carbonate rocks of the Cingoli anticline, northern Apennines, Italy

Thrust fault-related folds in carbonate rocks are characterized by deformation accommodated by different structures, such as joints, faults, pressure solution seams, and deformation bands. Defining the development of fracture systems related to the folding process is significant both for theoretical and practical purposes. Fracture systems are useful constrains in order to understand the kinematical evolution of the fold. Furthermore, understanding the relationships between folding and fracturing provides a noteworthy contribution for reconstructing the geodynamic and the structural evolution of the studied area. Moreover, as fold-related fractures influence fluid flow through rocks, fracture systems are relevant for energy production (geothermal studies, methane and CO2 , storage and hydrocarbon exploration), environmental and social issues (pollutant distribution, aquifer characterization). The PhD project shows results of a study carried out in a multilayer carbonate anticline characterized by different mechanical properties. The aim of this study is to understand the factors which influence the fracture formation and to define their temporal sequence during the folding process. The studied are is located in the Cingoli anticline (Northern Apennines), which is characterized by a pelagic multilayer characterized by sequences with different mechanical stratigraphies. A multi-scale analysis has been made in several outcrops located in different structural positions. This project shows that the conceptual sketches proposed in literature and the strain distribution models outline well the geometrical orientation of most of the set of fractures observed in the Cingoli anticline. On the other hand, the present work suggests the relevance of the mechanical stratigraphy in particular controlling the type of fractures formed (e.g. pressure solution seams, joints or shear fractures) and their subsequent evolution. Through a multi-scale analysis, and on the basis of the temporal relationship between fracture sets and their orientation respect layering, I also suggest a conceptual model for fracture systems formation.

Le anticlinali carbonatiche presentano un’intensa fratturazione indotta dalla deformazione durante il piegamento. Caratterizzare e comprendere lo sviluppo dei sistemi di fratture collegati al processo plicativo risulta essere di notevole interesse sia da un punto di vista scientifico che applicativo. I sistemi di fratture forniscono un contributo fondamentale per la comprensione dell’evoluzione cinematica della pieghe, inoltre, la comprensione delle relazioni tra sistemi di fratture e pieghe può contribuire a definire l'evoluzione strutturale dell'area di studio. Da un punto di vista applicativo è ormai noto come i sistemi di fratture incidono enormemente sulla circolazione dei fluidi. Di conseguenza la loro definizione trova un'applicazione importante nel settore energetico (flussi geotermici, stoccaggio gas e CO2, esplorazione petrolifera), ambientale (dispersione di inquinanti nel sottosuolo), e sociale (caratterizzazione degli acquiferi ecc.). La tesi di Dottorato presenta uno studio sull’analisi e la caratterizzazione di sistemi di fratture in un’anticlinale carbonatica caratterizzata da un multistrato con diverse caratteristiche meccaniche. Il progetto di Dottorato si pone l’obiettivo di comprendere i fattori che maggiormente influenzano le proprietà dei sistemi di fratture e di definire la loro evoluzione nel tempo. A tal fine è stata analizzata l’anticlinale di Cingoli (Appennino settentrionale) che espone una serie di interessanti affioramenti in calcari pelagici. Attraverso analisi a diverse scale di osservazione sono stati quindi caratterizzati i sistemi di fratture in affioramenti posizionati lungo tutta l’anticlinale e in diverse posizioni strutturali. Nel lavoro è stato osservato e discusso come la posizione strutturale e soprattutto la stratigrafia meccanica influiscono sulla formazione dei sistemi di fratture. In particolare è stato osservato come i modelli proposti in letteratura sintetizzano e schematizzano bene l’assetto geometrico di alcune fratture osservate a Cingoli. In questo lavoro, però, si è evidenziato come la stratigrafia meccanica ha un ruolo decisivo soprattutto per quanto riguarda la tipologia meccanica di fratture.