Structural-Thermal evolution of the Apenninic-Maghrebian fold-and-thrust belt in NW Sicily: insight from 1D to 3D modelling

Abstract

Two geologically complex areas located in the northern Sicilian fold-and-thrust belt, the Termini-Imerese and the Kumeta and Busambra Mts. areas, are investigated using 3D modelling techniques for structural interpretation of existing 2D seismic profiles, surface geology and by means of a new acquisition and modelling of paleothermal indicators. The investigation of the organic and inorganic fraction of sediments, for the two study areas, by means of a multi-method approach of optical, geochemical and X-ray diffraction analysis provided new paleothermal data in the diagenetic realm, for the Mesozoic-Cenozoic Imerese and Trapanese units and the Cenozoic Numidian Flysch and wedge-top basin (Scillato basin) successions. As a result, in both study areas, the Imerese unit, experienced the highest stage of thermal maturity followed by the Numidian Flysch succession. Lower maturity levels are recorded by the Trapanese unit sampled in the Kumeta-Busambra Mts. area and by the Scillato wedge-top basin succession sampled in the Termini-Imerese area. For the Imerese unit, Ro% values of 0.58-0.94% and R0 to R1 structures with an illite content of 60-84% in mixed layer Illite-Smectite (I-S) have been measured. The Numidian Flysch succession samples give Ro% values of 0.40-0.60% and R0 to R1 structures with an illite content of 40-76% in mixed layer I-S. The Trapanese unit, cropping out only in the Kumeta and Busambra Mts. area, shows Ro% value of 0.34-0.47% and R0 to R1 structures with an illite content of 33-60% in mixed layer I-S. The wedge-top basin (Scillato basin) succession samples show Ro% values of 0.33-0.47% and R0 structures with an illite content of 40-50% in mixed layer I-S, experiencing the lowest maturity levels. 1D and 3D burial and thermal histories have been constrained by means of these measured paleothermal values. Resulting amount of overburden (nowadays removed by erosion) fall in the range of 1.6-2.0 km of sedimentary/tectonic load reconstructed for the Imerese unit, 1.2-1.3 km of tectonic load reconstructed for Trapanese unit and about 0.8km of sedimentary load reconstructed for the Scillato wedge-top basin. Geological modelling in 3D of the two study areas allowed me to represent and describe the structural complexity characterized by fault sets with different orientations. Twenty-eight new geological cross-sections have been drawn in order to build the 3D geological model in the Termini-Imerese area. Two fault sets were individuated and represented in the 3D reconstruction by NW-SE striking thrust and NE-SW high angle transpressive faults. Thirteen seismic lines were interpreted in order to build the 3D geological model in the Kumeta and Busambra Mts. area. In this study area the focus was on the structural interpretation of the Trapanese unit (carbonate platform facies). Along-strike variability of structural style has been highlighted: WNW-ESE backthrusts with a transport towards the NNE linked by hard linkage (NNE-SSW to NE-SW tear faults) characterize the Mt. Kumeta structure; an imbricate backthrust system (sense of transport towards the NNE) converts westward into thrusts (sense of transport towards the SSW) along the Mt. Busambra structure. The WNW-ESE to E-W high angle transpressive to reverse faults, which join thrusts at depth, characterize both the Kumeta and Busambra Mts. Using the 3D geomechanical restoration performed on the 3D geological model reconstructed in the Kumeta and Busambra Mts. area, I can delineate and validate a new structural interpretation of the area. Low shortening amount (<15%) affects the Trapanese unit investigated in this area. Inherited paleogeographic setting and Mesozoic normal faults play a key role in the chain building determining high structural complexity and along strike variability. In particular, when Cenozoic vertical axis rotation is removed, two main fault sets are recognised: NNE-SSW to NE-SW and NW-SE striking faults. These two sets of faults are consistent with major Mesozoic structures described in Tunisia and, more in general, along North Africa belts. In the Kumeta and Busambra Mts. area, 3D thermal simulations have been performed on a simplified 3D model and scenario of burial history. As a result, maturity distribution of different stratigraphic intervals within the Trapanese unit has been computed in three dimensions. Maturity levels consistent with the oil generation stage are reached in the structural low between the Kumeta and Busambra Mts. by the upper Triassic-Eocene Trapanese succession. In conclusion, the integrated approach proposed in this thesis allowed me to improve kinematic reconstructions of the study areas and can be further explored and improved to be applied in many other structurally complex areas. It highlights the importance to gather, assemble and integrate paleothermal data in the 2D to 3D structural interpretations. In detail, combining constrained burial histories and thermal maturity modelling computations with 3D geological models allow to validate the structural interpretations and to better understand the structural complexity of areas such as the northern Sicilian fold-and-thrust-belt.

In questo lavoro sono state analizzate due aree geologicamente complesse (chiamate Termini Imerese e Kumeta-Busambra Mt.) localizzate lungo la catena a pieghe e sovrascorrimenti Siciliana. Le metodologie utilizzate sono l’acquisizione e modellazione di nuovi indicatori paleotermici, l’interpretazione sismica e tecniche di modellazione 3D. Le frazioni organiche e inorganiche dei sedimenti sono state investigate mediante un approccio multi-metodologico che consiste in analisi ottiche, geochimiche e diffrazione a raggi X. Nuovi dati paleotermici sono stati ottenuti per le successioni Meso-Cenozoiche Imerese e Trapanese e per le successioni Cenozoiche del Flysch Numidico e del bacino di wedge-top di Scillato. Nelle due aree investigate, l’unità Imerese ha sperimentato i valori più alti di maturità termica (strutture R0 to R1 e contenuto in illite tra 60-84% negli strati misti I-S e Ro% tra 0.58-0.94%), seguita dal Flysch Numidico (strutture R0 to R1 e contenuto in illite tra 40-76% negli strati misti I-S e Ro% tra 0.40-0.60%). L’unità Trapanese, affiorante solo nell’area Mt. Kumeta-Busambra ha sperimentato valori più bassi di maturità termica (strutture R0 to R1 e contenuto in illite tra 33-60% negli strati misti I-S e Ro% tra 0.34-0.47%), seguita dalla successione di wedge-top (bacino di Scillato) campionata nell’area di Termini-Imerese (strutture R0 e contenuto in illite tra 40-50% negli strati misti I-S e Ro% tra 0.33-0.47%). I valori così ottenuti sono stati utilizzati per vincolare le storie termiche e di seppellimento 1D e 3D. I valori di carico sedimentario/tettonico misurato e adesso eroso, sono: 1,6-2,0 km di carico tettonico/sedimentario nell’unità Imerese; 1,2-1,3 di carico tettonico nell’unità Trapanese; 0,8 km di carico sedimentario nel bacino di Scillato (wedge-top). La modellazione geologica 3D ha permesso di rappresentare e descrivere la complessità strutturale delle due aree di studio che sono caratterizzate da famiglie di faglie con diverse orientazioni. Ventotto sezioni geologiche sono state realizzate per ricostruire il modello 3D nella zona di Termini-Imerese. Sono quindi stati individuati e rappresentati nel modello 3D due trend di faglie principali: sovrascorrimenti orientati NW-SE e faglie transpressive ad alto angolo orientate NE SW. Tredici linee sismiche sono state interpretate per ricostruire il modello geologico 3D nell’area di Mt. Kumeta-Busambra. In questo lavoro mi sono focalizzata sull’interpretazione strutturale dell’unità Trapanese (piattaforma carbonatica) dove è stata riconosciuta una forte variabilità laterale delle strutture coinvolte. In dettaglio: la struttura di Mt. Kumeta è caratterizzata da retroscorrimenti orientati WNW-ESE (senso di trasporto verso NNE), connessi tra loro da faglie di strappo orientate NNE-SSW a NE-SW; la struttura di Mt. Busambra è caratterizzata da un sistema a retroscorrimenti con senso di trasporto NNE che verso ovest passa a sovrascorrimenti con senso di trasporto SSW. Faglie transpressive ad alto angolo che si ricongiungono ai sovrascorrimenti (e retroscorrimenti) in profondità (orientate da WNW-ESE a E-W), sono state individuate lungo entrambe le strutture. L’interpretazione strutturale proposta per il modello 3D ricostruito nell’area di Mt. Kumeta Busambra è stata validata mediante la tecnica di retrodeformazione geomeccanica 3D. I valori di raccorciamento così misurati non superano il 15%. Inoltre, in questo lavoro, è stato evidenziato il ruolo chiave giocato delle strutture ereditate nella strutturazione della catena che hanno portato alla forte complessità strutturale e variabilità strutturale. In particolare, una volta rimosse le rotazioni Cenozoiche, si riconoscono due famiglie di faglie principali, orientate da NNE-SSW a NE-SW e NW-SE. Tali orientazioni sono consistenti con quelle delle diverse strutture Mesozoiche riconosciute e descritte in Tunisia e più in generale lungo le catene Nord Africane. Nell’area di Mt. Kumeta-Busambra, è stato possibile realizzare delle simulazioni termiche 3D usando come base geometrica il modello geologico 3D semplificato Come risultato della simulazione, sono state ottenute le mappe di distribuzione della maturità termica per le diverse formazioni che costituiscono l’unità Trapanese. Le mappe così ricostruite hanno evidenziato che le formazioni Triassiche-Eoceniche sono entrate in finestra a olio nell’area compresa tra i Monti Kumeta e Busambra. In conclusione, il nuovo approccio proposto in questa tesi mi ha permesso di migliorare le ricostruzioni geologiche e cinematiche per le due aree investigate. Da sottolineare è l’importanza di integrare dati paleotermici nelle interpretazioni strutturali 2D e 3D e in particolare, di combinare le storie di seppellimento e le modellazioni di maturità termica con i modelli geologici 3D per validare le interpretazioni strutturali e per capire meglio la complessità strutturale di aree come la catena a pieghe e sovrascorrimenti Siciliana. Questo approccio, che può essere ulteriormente investigato e migliorato, può essere utilizzato in altre aree di studio geologicamente complesse.