Stratigraphic evolution of the Modino Unit in the Northern Apennines belt-foredeep system: analysis of a wedge-top basin developed at the Oligocene-Miocene boundary

In the Northern Apennine fold and thrust belt, the post-collisional stages are characterized by the Oligocene–Pliocene progressive shortening and shifting of the foredeep basins, resulting from the eastward migration of the orogenic front toward the belt foreland represented by the Adria plate continental margin. The foredeep deposits were involved in the tectonic stack as thrust sheets detached from their substrate and overthrust by the Ligurian Units derived from the Jurassic Ligure-Piemontese oceanic basin. The Eocene-Oligocene succession of the Mt. Modino Unit (Tuscan Domain of the Northern Apennines) is composed by turbidites deposited during the early collisional and post-collisional stages. The biostratigraphical, petrographycal and stratigraphical analysis of different stratigraphic sections of the Mt. Modino Unit Succession enables us to give a paleotectonic reconstruction of the evolution of this part of the foredeep. The use of calcareous nannofossils help us recognize most of the biostratigraphic units using the Chronostratigraphic Global Chart with the biohorizons developed for the Mediterranean region by Catanzariti et al., 1997, and this data was integrated with the new bio-events reported in Agnini et al., 2014 for the Lutetian and Bartonian part of the succession. Within this we have studied a thick interval of shales with arenitic beds, marls and arenites, of the Fiumalbo Shale, the Marmoreto Marl and the Mt. Modino Sandstone formations. Calcareous nannofossil assemblages of the eight investigated stratigraphic sections contain middle-late Eocene to Oligocene-early Miocene biozones. Zones CNE12 to MNN1 have been identified through quantitative analyses of a set of 200 samples, and the precise ages of the Fiumalbo Shale, the Marmoreto Marl and the Mt. Modino Sandstone were identified as well. The petrographycal analysis of a set of about 70 arenites samples shows a change in sandstone compositions from the basal to the upper part of the sequence. This change is underlined by the presence of ophiolitic rock fragments (serpentinites, basalts and cherts) in the oldest arenites of the succession (Lutetian and Rupelian). Moreover stratigraphical data suggests that the sedimentation of the lower part of the Mt. Modino Unit succession is influenced by sediment failures and submarine landslides from a proximal and intermittent source composed by oceanic crust successions. Probably this source can be localized in the Apenninic wedge. Probably the interval Rupelian-Chattian for this Unit, represents the link between the stage of dominant Apenninic sedimentation influenced by an high tectonic activity and the stage with dominant Alpine sedimentation. I cannot preclude that the Mt. Modino Unit succession sedimented in an inner foredeep basin (as proposed for the Macigno Costiero by Cornamusini, 2001) and/or in a foredeep-frontal thrust top basin or open piggy-back basin (as proposed for the Macigno in Cornamusini, 2004a and b and for the inner Marnoso-arenacea in Tagliaferri & Tinterri, 2016). L’evoluzione collisionale dell’Appennino Settentrionale è legata alla migrazione spazio-temporale del sistema catena-avanfossa in risposta al progressivo arretramento verso est della zona di flessura della litosfera dell’avampaese adriatico. In questo modo a partire dall’Oligocene Superiore si strutturano dei bacini d’avanfossa, il cui depocentro migra progressivamente nel tempo verso nord-est. I depositi dell’avanfossa appenninica sono successivamente sormontati dalle Unità Liguri che derivano dal bacino oceanico Ligure-Piemontese. La successione dell’Unità Modino di età Eocene-Oligocene (Dominio Toscano dell’Appennino Settentrionale è composta da sequenze torbiditiche deposte durante i primi stadi collisionali e post-collisionali. Lo scopo principale di questa Tesi è quello di dare un contributo alla geologia dell’Appennino Settentrionale attraverso lo studio della successione dell’Unità Mt. Modino utilizzando un approccio multidisciplinare, è stata quindi effettuata una analisi biostratigrafica utilizzando i nannofossili calcarei per datare la successione, un’analisi petrografica su sezioni sottili di areniti per studiare l’area sorgente del materiale detritico ed uno studio stratigrafico volto all’anallisi di facies per poter capire, dove possibile, le caratteristiche dei flussi torbiditici e ipotizzare la struttura del bacino. Dal punto di vista biostratigrafico la successione dell’Unità Modino è stata datata utilizzando lo schema proposto da Catanzariti et al., 1997 per la parte di età Priaboniano-Aquitaniano e lo schema di Agnini et al., 2014 per il Luteziano-Bartoniano, dove possibile. È stato studiato quindi uno spesso intervallo di argilliti, marne e areniti appartenenti alle formazioni delle Argille di Fiumalbo, le Marne di Marmoreto e alle Arenarie di Monte Modino. Gli intervalli biostratigrafici sono ben rappresentati dall’Eocene medio – Eocene superiore all’ Oligocene superiore – Miocene inferiore. Le biozone dalla CNE12 alla MNN1 sono state così identificate. Per caratterizzare l’area sorgente che alimentava il “bacino di Monte Modino” è stata effettuata un’analisi modale della frazione arenitica di campioni relativi alle Arenarie di Monte Modino nelle tre sezioni misurate. I dati ottenuti evidenziano un’area sorgente confrontabile con quella ipotizzata per la formazione del Macigno per tutto il sedimento di età Oligo-miocenica (Di Giulio, 1999), mentre è stata riscontrata la presenza di detrito riferibile a crosta di tipo oceanico (serpentiniti e radiolariti) solamente nella parte bassa della successione, Eocene-Oligocene inferiore. Dal dato stratigrafico invece è stato possibile mettere in evidenza come la parte antica della successione sia spesso caratterizzata da frane sottomarine che derivano da sorgenti intermittenti e prossimali, tutto ciò suggerisce una vicinanza con il prisma appenninico in costruzione. L’intervallo Rupeliano-Chattiano per questa successione risulta essere un’età chiave, una sorta di passaggio tra uno stage a dominante sedimentazione Appenninica e forte attività tettonica, ed uno stage a dominante sedimentazione Alpina. Per questo motive non si può escludere che la successione dell’Unità Modino potrebbe essersi deposta in un contesto di avanfossa interna, come proposto per il macigno costiero da Cornamusini, 2001, oppure in un bacino satellite o di piggy-back legato alla parte frontale del prisma (come proposto per il Macigno in Cornamusini, 2004a e b e per la parte interna della Marnoso-arenacea in Tagliaferri & Tinterri, 2016)