Reciproche influenze tra geomorfologia e popolamento antico presso le piane di foce dei fiumi tirrenici. Il caso del Fiume Garigliano

La Piana di foce del Garigliano (al confine tra Lazio e Campania) è caratterizzata, fino ad epoche recenti, dalla presenza di aree palustri e umide. Lo studio in corso cerca di ricostruire l’evoluzione dell’ambiente costiero mettendolo in relazione alla presenza dell’uomo, alla gestione del territorio, alle vicende storiche e alle variazioni climatiche utilizzando molteplici metodologie tipiche della geoarcheologia. Si tratta di un approccio multidisciplinare che cerca di mettere insieme analisi tipiche dell’archeologia, della topografia antica, della geomorfologia, della geologia e della paleobotanica. Fino all’età del Ferro l’unica traccia di popolamento viene da Monte d’Argento, uno sperone roccioso isolato lungo la costa, posto al limite occidentale di un ambiente sottostante che sembra una palude chiusa e isolata da apporti sedimentari esterni. Con il passaggio all’età del ferro si verifica un mutamento ambientale con la fine della grande palude e la formazione di una piccola laguna parzialmente comunicante con il mare. L’arrivo dei romani alla fine del III secolo a.C. segna la scomparsa dei grandi centri degli Aurunci e la deduzione di tre colonie (Sessa Aurunca, Sinuessa, Minturno). Le attività di sistemazione territoriale non riguardarono però le aree umide costiere, che non vennero bonificate o utilizzate per scopi agricoli, ma mantennero la loro natura di piccoli laghi costieri. Quest’epoca è dunque caratterizzata da una diffusione capillare di insediamenti, basati su piccole fattorie o installazioni legate allo sfruttamento agricolo. Poche sono le aree archeologiche che hanno restituito materiali successivi al II-III secolo d.C. La città resta comunque abitata fino al VI-VII secolo, quando l’instabilità politica e l’impaludamento dovettero rendere la zona non troppo sicura favorendo uno spostamento verso le zone collinari. Un insediamento medievale è attestato solo a Monte d’Argento e una frequentazione saracena dell’inizio del IX secolo è riportata dalle fonti letterarie, ma non vi è ancora nessuna documentazione archeologica.

Tectonic geomorphology and active strain of the Northern Apennines mountain front

The Northern Apennines (NA) chain is the expression of the active plate margin between Europe and Adria. Given the low convergence rates and the moderate seismic activity, ambiguities still occur in defining a seismotectonic framework and many different scenarios have been proposed for the mountain front evolution. Differently from older models that indicate the mountain front as an active thrust at the surface, a recently proposed scenario describes the latter as the frontal limb of a long-wavelength fold (> 150 km) formed by a thrust fault tipped around 17 km at depth, and considered as the active subduction boundary. East of Bologna, this frontal limb is remarkably very straight and its surface is riddled with small, but pervasive high- angle normal faults. However, west of Bologna, some recesses are visible along strike of the mountain front: these perturbations seem due to the presence of shorter wavelength (15 to 25 km along strike) structures showing both NE and NW-vergence. The Pleistocene activity of these structures was already suggested, but not quantitative reconstructions are available in literature. This research investigates the tectonic geomorphology of the NA mountain front with the specific aim to quantify active deformations and infer possible deep causes of both short- and long-wavelength structures. This study documents the presence of a network of active extensional faults, in the foothills south and east of Bologna. For these structures, the strain rate has been measured to find a constant throw-to-length relationship and the slip rates have been compared with measured rates of erosion. Fluvial geomorphology and quantitative analysis of the topography document in detail the active tectonics of two growing domal structures (Castelvetro - Vignola foothills and the Ghiardo plateau) embedded in the mountain front west of Bologna. Here, tilting and river incision rates (interpreted as that long-term uplift rates) have been measured respectively at the mountain front and in the Enza and Panaro valleys, using a well defined stratigraphy of Pleistocene to Holocene river terraces and alluvial fan deposits as growth strata, and seismic reflection profiles relationships. The geometry and uplift rates of the anticlines constrain a simple trishear fault propagation folding model that inverts for blind thrust ramp depth, dip, and slip. Topographic swath profiles and the steepness index of river longitudinal profiles that traverse the anti- clines are consistent with stratigraphy, structures, aquifer geometry, and seismic reflection profiles. Available focal mechanisms of earthquakes with magnitude between Mw 4.1 to 5.4, obtained from a dataset of the instrumental seismicity for the last 30 years, evidence a clear vertical separation at around 15 km between shallow extensional and deeper compressional hypocenters along the mountain front and adjacent foothills. In summary, the studied anticlines appear to grow at rates slower than the growing rate of the longer- wavelength structure that defines the mountain front of the NA. The domal structures show evidences of NW-verging deformation and reactivations of older (late Neogene) thrusts. The reconstructed river incision rates together with rates coming from several other rivers along a 250 km wide stretch of the NA mountain front and recently available in the literature, all indicate a general increase from Middle to Late Pleistocene. This suggests focusing of deformation along a deep structure, as confirmed by the deep compressional seismicity. The maximum rate is however not constant along the mountain front, but varies from 0.2 mm/yr in the west to more than 2.2 mm/yr in the eastern sector, suggesting a similar (eastward-increasing) trend of the apenninic subduction.

Analisi critica di modelli previsionali per le frane in Emilia Romagna

Questa tesi di dottorato è inserita nell’ambito della convenzione tra ARPA_SIMC (che è l’Ente finanziatore), l’Agenzia Regionale di Protezione Civile ed il Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico - Ambientali dell’Ateneo di Bologna. L’obiettivo principale è la determinazione di possibili soglie pluviometriche di innesco per i fenomeni franosi in Emilia Romagna che possano essere utilizzate come strumento di supporto previsionale in sala operativa di Protezione Civile. In un contesto geologico così complesso, un approccio empirico tradizionale non è sufficiente per discriminare in modo univoco tra eventi meteo innescanti e non, ed in generale la distribuzione dei dati appare troppo dispersa per poter tracciare una soglia statisticamente significativa. È stato quindi deciso di applicare il rigoroso approccio statistico Bayesiano, innovativo poiché calcola la probabilità di frana dato un certo evento di pioggia (P(A|B)) , considerando non solo le precipitazioni innescanti frane (quindi la probabilità condizionata di avere un certo evento di precipitazione data l’occorrenza di frana, P(B|A)), ma anche le precipitazioni non innescanti (quindi la probabilità a priori di un evento di pioggia, P(A)). L’approccio Bayesiano è stato applicato all’intervallo temporale compreso tra il 1939 ed il 2009. Le isolinee di probabilità ottenute minimizzano i falsi allarmi e sono facilmente implementabili in un sistema di allertamento regionale, ma possono presentare limiti previsionali per fenomeni non rappresentati nel dataset storico o che avvengono in condizioni anomale. Ne sono esempio le frane superficiali con evoluzione in debris flows, estremamente rare negli ultimi 70 anni, ma con frequenza recentemente in aumento. Si è cercato di affrontare questo problema testando la variabilità previsionale di alcuni modelli fisicamente basati appositamente sviluppati a questo scopo, tra cui X – SLIP (Montrasio et al., 1998), SHALSTAB (SHALlow STABility model, Montgomery & Dietrich, 1994), Iverson (2000), TRIGRS 1.0 (Baum et al., 2002), TRIGRS 2.0 (Baum et al., 2008).

Speleogenesis and secondary cave minerals in quartz-sandstone and quartzite environment

The main objective of this research is to improve the comprehension of the processes controlling the formation of caves and karst-like morphologies in quartz-rich lithologies (more than 90% quartz), like quartz-sandstones and metamorphic quartzites. In the scientific community the processes actually most retained to be responsible of these formations are explained in the “Arenisation Theory”. This implies a slow but pervasive dissolution of the quartz grain/mineral boundaries increasing the general porosity until the rock becomes incohesive and can be easily eroded by running waters. The loose sands produced by the weathering processes are then evacuated to the surface through processes of piping due to the infiltration of waters from the fracture network or the bedding planes. To deal with these problems we adopted a multidisciplinary approach through the exploration and the study of several cave systems in different tepuis. The first step was to build a theoretical model of the arenisation process, considering the most recent knowledge about the dissolution kinetics of quartz, the intergranular/grain boundaries diffusion processes, the primary diffusion porosity, in the simplified conditions of an open fracture crossed by a continuous flow of undersatured water. The results of the model were then compared with the world’s widest dataset (more than 150 analyses) of water geochemistry collected till now on the tepui, in superficial and cave settings. All these studies allowed verifying the importance and the effectiveness of the arenisation process that is confirmed to be the main process responsible of the primary formation of these caves and of the karst-like superficial morphologies. The numerical modelling and the field observations allowed evaluating a possible age of the cave systems around 20-30 million of years.