Una piega è una struttura geologica che si sviluppa quando una superficie geologica planare viene interessata da una deformazione diffusa o duttile e diventa incurvata o arcuata.

Elementi di una piega

Se una superficie geologica risulta piegata e la piega può essere descritta come generata da una linea retta, detta asse della piega, che si muove parallelamente a se stessa, è detta cilindrica, se invece tale piega non può essere descritta dal movimento  parallelo a se stesso di una linea retta essa è detta non cilindrica e l’asse in questo caso non è una linea retta. Pertanto se si realizzano sezioni geologiche parallele tra loro e ortogonali all’asse della piega cilindrica le sezioni geologiche sono tutte uguali tra loro; viceversa se la stessa operazione viene effettuata per pieghe non cilindriche le sezioni geologiche non risulteranno tutte uguali tra loro.

La superficie di una piega non è un arco di circonferenza perfetto, ma sono presenti delle zone rettilinee o con angolo di curvatura molto grande, dette fianchi della piega, che si raccordano in una zona in cui il raggio di curvatura della superficie piegata è minore. Questa zona è detta cerniera (o zona di cerniera) di una piega, il punto di massima curvatura è il punto di cerniera. In una cerniera la superficie piegata può essere convessa oppure concava. In una serie di pieghe un fianco è comune a due cerniere adiacenti, un fianco che si trova tra due cerniere deve necessariamente cambiare di concavità avvicinandosi ad una cerniera. ll punto di flesso è quel punto che divide il fianco di una piega in due parti, ognuna con concavità opposta all’altra. Nel caso di una singola superficie piegata è possibile definire il piano assiale della piega come il piano bisettore tra i due fianchi e che taglia la superficie piegata nel suo punto di massima curvatura, cioè nel punto di cerniera. L’intersezione tra il piano assiale e la superficie piegata definisce la linea di cerniera di una piega, che nel caso di pieghe cilindriche è rettilinea e parallela all’asse della piega. La linea di cerniera può essere definita anche come la linea che, su una superficie piegata, unisce i punti di massima curvatura. Rispetto ad una superficie piegata si definisce intradosso la parte interna della superficie, estradosso invece è la parte esterna. Il volume di rocce racchiuso dalla superficie piegata è detto nucleo della piega.

Elementi delle pieghe

Definizione delle dimensioni di una piega

L’angolo di apertura di una piega è l’angolo formato tra i due fianchi, questo angolo può essere minore o maggiore di 90°. Se in una piega i fianchi non sono planari l’angolo di apertura è rappresentato dall’angolo tra le tangenti ai punti di flesso nei due fianchi. La lunghezza d’onda (λ) di una piega è data dalla distanza tra due cerniere adiacenti

Se cerniere non sono visibili in affioramento e tale distanza non è misurabile, allora

λ = 2df 

dove df è la distanza tra due punti di flesso di due fianchi adiacenti.

L’ampiezza (a) di una piega è data dalla distanza fra la linea di cresta, ossia la linea che congiunge due cerniere dello stesso segno e la linea che congiunge flessi

Se vogliamo indicare l’orientazione di una piega è necessario riportare la giacitura dell’asse della piega, cioè la sua direzione di immersione e inclinazione, e la giacitura del piano assiale della piega, cioè la sua immersione e inclinazione. Se la piega è di grandi dimensioni nella carta geologica può essere disegnata anche la traccia del piano assiale (o la traccia della superficie assiale), ovvero l’intersezione del piano assiale della piega con la superficie topografica. La traccia del piano assiale sarà parallela alle isoipse se è orizzontale, taglierà le isoipse in modo rettilineo se è perfettamente verticale, disegnerà una “v” nelle valli e avrà un andamento concavo nei dossi se è variamente inclinata.

Classificazione delle pieghe

Le pieghe sono classificate sulla base dei seguenti criteri:

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Orientazione della zona di cerniera

In base all’orientazione della cerniera possiamo distinguere:

  • pieghe antiformi – gli strati della cerniera sono convessi
  • pieghe sinformi  – gli strati della cerniera sono concavi
  • pieghe neutre –  gli strati con asse verticale o con piano assiale orizzontale

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Stratigrafia

Dal punto di vista stratigrafico possiamo distinguere fra:

  • pieghe anticlinali – con nucleo dove affiorano le rocce più vecchi
  • pieghe sinclinali – con nucleo dove affiorano le rocce più giovani

In condizioni normali (successione stratigrafica piegata) le antiformi corrispondono ad anticlinali e le sinformi a sinclinali. In condizioni particolari (successione stratigrafica rovesciata che viene successivamente nuovamente piegata) le antiformi corrispondono a sinclinali e le sinformi ad anticlinali

Classificazione delle pieghe sulla base della stratigrafia e orientazione della cerniera

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Inclinazione del piano assiale

In base all’inclinazione del piano assiale si possono distinguere:

  • pieghe diritte – con piano assiale verticale o subverticale
  • pieghe inclinate – con piano assiale inclinato
  • pieghe rovesciate – se oltre al piano assiale inclinato, uno dei fianchi ha una giacitura rovesciata, ovvero in uno dei fianchi la successione stratigrafica è inversa e quindi un fianco della piega è diritto ed uno è rovesciato
  • pieghe coricate – con piano assiale orizzontale e quindi con un fianco diritto ed uno rovesciato

Nel caso di pieghe inclinate o rovesciate il punto più alto (o più basso) di quota raggiunto dalla superficie piegata non corrisponde alla linea di cerniera della piega. Il punto più alto raggiunto da una piega è detto cresta della piega, mentre il punto più basso è detto ventre della piega.

Classificazione delle pieghe in base all’orientazione del piano assiale

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Angolo di apertura (θ)

Le pieghe possono essere classificate sulla base del loro angolo di apertura:

  • pieghe blande  (120° ≤ θ ≤ 180°)
  • pieghe aperte (70° ≤ θ ≤ 120°)
  • pieghe serrate (0° ≤ θ ≤ 30°)
  • pieghe isoclinali (0°)

L’angolo di apertura di una piega è determinato dall’entità della deformazione (strain)
che le rocce hanno subito durante i vari eventi compressivi. Pieghe aperte indicano bassa
deformazione, mentre pieghe isoclinali indicano invece un’intensa deformazione.

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Profilo

Il profilo di una piega è la forma della superficie piegata osservata in una sezione
ortogonale all’asse della piega. E così avremo:

  • pieghe parallele – superficie parallele e spessore dello strato piegato costante in ogni punto
  • pieghe simili – la forma di tutte le superfici piegate è uguale e le pieghe possono essere descritte come originate da una superficie piegata che viene traslata nello spazio parallelamente a se stessa. Lo spessore degli strati è costante se misurato parallelamente alla direzione di traslazione, ma è minore nei fianchi e maggiore nelle zone di cerniera.
  • pieghe concentriche – lo spessore degli strati è costante e questi sono degli archi di circonferenza.
  • pieghe a chevron e pieghe a kink – spessore degli strati sempre costante (come in una piega parallela) e fianchi rettilinei e cerniere a cuspide; possono essere descritte da una superficie traslata parallela a se stessa (come in una piega simile).

 


Sistemi di pieghe

In natura in una regione deformata, caratterizzata normalmente da un sistema compressivo, si assiste allo sviluppo di numerose pieghe di dimensioni molto variabili. L’insieme di più pieghe in un’area è detto sistema di pieghe.
In un sistema di pieghe si possono avere due casi:

  • tutti i fianchi delle pieghe hanno la solita lunghezza (pieghe simmetriche)
  • i fianchi delle pieghe hanno lunghezza differente, con un fianco più lungo dell’altro (pieghe asimmetriche

Sistemi di pieghe asimmetriche è molto probabile che siano originati da una deformazione per taglio semplice e si sviluppino alla base di sovrascorrimenti lungo cui si ha la messa in posto di unità tettoniche. Riconoscere l’asimmetria delle pieghe fornisce informazioni sul senso di taglio durante la deformazione e quindi informazioni sulla direzione di messa in posto delle unità tettoniche sovrastanti, ossia del senso di trasporto tettonico generale di un’area. In situazioni differenti, ovvero lontano da contatti tettonici, l’asimmetria delle pieghe minori cambia a seconda della scala di osservazione e della posizione nella struttura a grande scala.

Simmetria delle pieghe

La maggior parte delle pieghe asimmetriche che possiamo osservare in affioramento
si formano durante lo sviluppo di pieghe di dimensioni dell’ordine dei Km. Durante il
piegamento di una successione stratigrafica nella cerniera si ha la minore deformazione, mentre nei fianchi delle pieghe quella maggiore. Nei due fianchi si ha movimento di ogni strato rispetto a quello sottostante e sovrastante e si hanno nei due fianchi deformazioni caratterizzate da senso di taglio opposto, destro in un fianco e sinistro nell’altro.
Se tra due strati sono presenti livelli facilmente deformabili in questi livelli durante la deformazione si svilupperanno facilmente delle pieghe. In ogni fianco queste pieghe avranno asimmetria opposta, sviluppando in un fianco delle pieghe a S mentre nell’altro fianco si avranno pieghe a Z, perché i due fianchi sono caratterizzati da senso di taglio opposto. Nella zona di cerniera si avranno invece pieghe simmetriche a M. Tutte queste pieghe (S,Z o M), con dimensioni minori rispetto alla piega principale, sono dette pieghe minori o pieghe parassite. L’asimmetria a S o Z di una piega dipende dalla direzione con cui di guarda la piega, cioè la asimmetria cambia se guardiamo la piega dalla parte opposta. Siccome le pieghe parassite si formano contemporaneamente alla formazione della piega maggiore, gli assi delle pieghe parassite sono paralleli all’asse
della piega principale.

Pieghe parassite (o minori)

E’ consigliabile misurare la superficie che passa per le cerniere delle pieghe parassite se si vuole dare un’idea dell’andamento regionale della superficie piegata. Se la superficie di inviluppo è a sua volta piegata è possibile individuare superfici di inviluppo di ordine superiore.

Se in un sistema di pieghe strati adiacenti risultano piegati con la stessa λ, ampiezza e simmetria si è in presenza di pieghe armoniche, se invece sono piegati in modo differente, mostrando pieghe con λ, ampiezza e simmetria differente, si parla di pieghe disarmoniche.
Se sistemi di pieghe particolari presentano una coppia di pieghe asimmetriche con opposto senso di asimmetria e piani assiali che immergono l’uno verso l’altro vengono dette pieghe coniugate ed il caso più comune in natura è quello delle pieghe a scatola (box fold), caratterizzate da una zona di cerniera suborizzontale che forma un angolo di circa 90° con i fianchi, e quello dei kink coniugati (conjugate kink bands).

Particolari tipi di sistemi di pieghe

Prospetto in 3D delle pieghe

Nel caso di pieghe non cilindriche la variazione di orientazione nello spazio dell’asse della piega genera zone di cerniera non rettilinee con porzioni della piega più elevate rispetto ad altre. Le zone più elevate si hanno in corrispondenza delle cerniere delle antiformi in cui si hanno zone di culminazione assiale, le zone più basse si hanno in corrispondenza delle cerniere delle sinformi in cui si hanno zone di depressione assiale.  Nelle zone di culminazione assiale l’erosione può portare a far affiorare le formazioni più antiche e la stratificazione immerge in modo radiale verso l’esterno della zona di culminazione, queste strutture sono anche dette duomi. Nelle zone di depressione assiale affiorano solitamente le formazioni più giovani e la stratificazione immerge in modo radiale verso il centro della zona di depressione assiale, queste strutture sono dette bacini.

Sistemi di pieghe analizzati in 3D

In 3D pieghe con geometria complessa con culminazioni e depressioni assiali sono spesso il risultato di piegamenti sovrapposti: sistemi di pieghe che generano pieghe con geometria complicata dove la sovrapposizione è determinata da eventi tettonici che si sono succeduti nel tempo, ognuno con direzioni di raccorciamento differente.

Sovrapposizioni di pieghe

Pieghe con geometria particolare si hanno nelle aree in cui le pieghe terminano, cioè nelle aree in cui si esaurisce la deformazione. L’area in cui una piega termina è detta terminazione periclinale della piega e in questa particolare area la piega ha una  geometria sicuramente non cilindrica, ma più spesso si avvicina ad una geometria conica (piega conica). Quando alla fine di una piega si ha lo sviluppo di un’altra piega, con piano assiale spostato, si ha un insieme di pieghe detto pieghe en-echelon.

Periclinali

Meccanismi di formazione delle pieghe

Le pieghe possono formarsi essenzialmente:

  • flessione (buckling), in cui si ha un raccorciamento orizzontale degli strati
    dovuto ad uno sforzo applicato orizzontalmente, cioè parallelo allo strato (pieghe buckling)
  • risposta passiva (pieghe passive) (bending), in cui il piegamento degli strati è la risposta passiva allo sviluppo di strutture geologiche sottostanti, come per esempio faglie dirette o inverse. In questi casi gli sforzi applicati sono obliqui rispetto agli strati. In questo caso l’applicazione di uno sforzo σ1 in genere suborizzontale porta alla formazione della piega.

Se la direzione di applicazione di σ1 è suborizzontale si formeranno pieghe con piano assiale subverticale. La λ delle pieghe che si formano è funzione, oltre che dall’entità dello sforzo applicato, del contrasto di viscosità tra la roccia che costituisce lo strato e la roccia circostante:

  • contrasto di viscosità alto (strato molto più competente della roccia circostante) –  lo strato si deforma poco internamente, ma si piega. Si deformerà molto la roccia circostante, che potrà fluire all’intradosso delle pieghe.
  • contrasto di viscosità minore – lo strato si piega formando delle pieghe più aperte, la deformazione interna dello strato aumenta ed è evidenziata da un aumento di spessore.
Schema dei meccanismi di formazione delle pieghe

Pieghe per flessione (buckling)

Quando una successione stratificata viene piegata per buckling gli strati subiscono una
deformazione interna che dipende dalla natura del materiale che viene deformato e dalla
forma della piega. I meccanismi di deformazione che intervengono possono essere i seguenti:

  • pieghe per flexural slip/flexural flow  (flexural slip folding/flexural flow) – successioni stratificate piegate in cui i limiti tra gli strati sono superfici di debolezza della roccia (nessun movimento nelle zone di cerniera mentre la deformazioni aumenta nei fianchi) – formazione di pieghe parlallele
  • pieghe flexural slip (flexural-slip folding) –  il movimento avviene lungo i limiti tra gli strati lungo i fianchi
  • pieghe flexural flow (flexural-flow folding) – deformazione uniformemente distribuita attraverso tutta la successione (alla scala dei singoli cristalli di roccia)
  • pieghe con superficie neutra (flexural-neutral folding)– estensione allo strato nell’estradosso della piega  ed accorciamento all’intradosso (nucleo) (strati di notevole spessore e di composizione omogenea). Esiste un punto dove si ha deformazione nulla. L’allineamento di questi punti definisce la superficie neutra (neutral surface) della piega. La deformazione all’interno di queste pieghe è detta tangential longitudinal strain.
  • pieghe di taglio (passive shear folding) – movimento (taglio) lungo superfici oblique e/o ad alto angolo rispetto ad un livello stratigrafico (la forma della piega dipende dall’orientazione
    del movimento rispetto allo strato e dall’entità dei movimenti lungo le varie superfici).
  • pieghe per strain sovrapposti –  pieghe con geometria molto diversa tra loro, in quanto funzione dei meccanismi deformativi operanti e dall’entità delle singole deformazioni.
  • pieghe passive – pieghe che si formano a seguito di deformazione di uno
    strato, ma la geometria della piega che si sviluppa è influenzata fortemente da particolari strutture geologiche sottostanti:

    • anticlinali di rollover –  si sviluppano al di sopra di faglie listriche (anticlinali di rollover
    • fault-bend fold  – si sviluppano sopra sovrascorrimenti
    • fault-propagation fold – si sviluppano sopra oppure in corrispondenza della terminazione di faglie, cioè al di sopra di faglie cieche.
Tipi di deformazione in pieghe

Relazione fra pieghe e faglie

Le pieghe che si formano in relazione a faglie e sovrascorrimenti hanno geometria tipo kink con fianchi rettilinei e cerniere a cuspide. Si tratta di pieghe parallele, con uno spessore degli strati che rimane costante durante il piegamento.
Questo vale soprattutto in condizioni di deformazione a bassa P e T. Con l’aumentare di questi fattori faglie diventano zone di taglio e le pieghe assumono geometrie di tipo simile.
Se lo spessore degli strati rimane costante durante la deformazione ciò implica che
anche il volume delle rocce implicate nel piegamento non cambi durante la deformazione se non in alcune zone particolari (es. dissoluzione in alcune parti delle pieghe, ecc.). Durante una deformazione il volume delle rocce e la lunghezza degli strati deve conservarsi, in effetti è possibile verificare la validità di una sezione geologica, ossia se la lunghezza degli strati non cambia durante tutto l’evento deformativo.

Faglie e anticlinali di rollover

Le anticlinali di rollover si formano al di sopra di faglie dirette la cui superficie di faglia non è planare, ma ha una geometria listrica. Nel caso di faglie listriche il movimento tra i due blocchi porterebbe alla formazione di vuoti, che in natura non è possibile. Un modo comune di riempire questi vuoti è il movimento verso il basso delle rocce a tetto della faglia in prossimità del piano di faglia, che possono acquistare quindi una struttura ad anticlinale.

Fault-bend fold

Sono pieghe passive che si formano al di sopra di sovrascorrimenti con struttura tipo ramp-flat. Questi tipi di sovrascorrimenti sono caratterizzati da tratti suborizzontali e tratti inclinati della superficie di faglia, le rocce che si muovo orizzontalmente sopra di essi devono adattarsi a questa particolare geometria, formando delle pieghe. Le pieghe si formano quando una successione di strati transita sopra una rampa e si formano sempre strutture antiformi. Nel caso ideale di ramp e flat rettilinei si formeranno delle pieghe tipo kink. Le pieghe si formano successivamente alla formazione del sovrascorrimento.

Evoluzione di pieghe tipo Fault-Bend Fold

Fault-propagation fold

Sono pieghe passive che si formano contemporaneamente allo sviluppo di faglie inverse o sovrascorrimenti, in corrispondenza della terminazione delle faglie stesse. Sono quindi pieghe che si sviluppano al di sopra di faglie cieche.
Tipiche di questo tipo di deformazione sono pieghe a kink rovesciate, in cui il fianco
rovesciato diventa sempre maggiore contemporaneamente alla crescita della faglia, cioè
allo spostamento del tip verso l’alto.
Nel caso di un sistema di sovrascorrimenti si può avere una associazione di pieghe.

Evoluzione di pieghe tipo Fault-Propagation Fold

Trishear fold

Un altro modo per ricostruire la geometria di una piega al di sopra di una fault propagation
fold è mediante il modello trishear, in cui la piega si sviluppa in una zona triangolare al di sopra del tip della faglia.
In questo modello i punti materiali nel triangolo al di sopra del tip della faglia si muovono secondo delle direzioni radiali che si propagano dal tip verso l’esterno e verso l’alto . I vari punti materiali lungo ognuna di queste direzioni radiali si muovono con la stessa velocità, ma ogni direzione radiale ha la sua velocità durante la deformazione. In ogni caso le velocità diventano nulle avvicinandosi al tip della faglia.

*** SEZIONE IN COSTRUZIONE ***


FONTI

TESTI

Elementi di Geologia Strutturale – Applicazioni all’esplorazione petrolifera Master in Esplorazione e Produzione di Idrocarburi Università degli Studi di Siena Centro di GeoTecnologie A.A. 2015-2016, P. Conti

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