Individuazione di eventi climatici globali nella successione Oligo-Miocenica del Settore Occidentale dell’Avampaese Ibleo (Sicilia SE) attraverso uno studio di stratigrafia integrata

This PhD thesis presents the results of an integrated stratigraphic study that led to a significant revision of the Oligocene-Miocene succession exposed in the area of the geological map sheet no. 648 Ragusa (1:50,000 scale), located in southeastern Sicily. The research was conducted within the framework of the national geological mapping project (CARG) of the Italian Institute for Environmental Protection and Research (ISPRA), in collaboration with the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV), which funded the PhD scholarship. The study area lies within the sicilian foreland domain of the Apennine-Maghrebian Chain (CARBONE & LENTINI, 2014) and is characterized by wide outcrops of predominantly carbonate rocks. According to the current stratigraphic framework, these rocks are described as part of a relatively continuous succession deposited in a neritic to pelagic setting, with shallow marine indicators interpreted as allochthonous deposits derived from eastern areas. The outcropping successions were initially investigated through traditional geological and structural field mapping, supported by facies analysis, which allowed for a more accurate paleoenvironmental interpretation. Detailed, integrated biostratigraphic analyses (based on foraminifera and calcareous nannofossils), in some cases supported by paleomagnetostratigraphic data, were also performed. Due to the lithological similarity of the successions, these analyses proved to be particularly useful for distinguishing between lithostratigraphic units and for establishing their mutual relationships, resulting in a new and more effective stratigraphic subdivision. Biostratigraphic analysis also enabled a chronostratigraphic reassessment of the lithostratigraphic units considering the recent redefinition of the GSSPs for Miocene stages. Furthermore, the different unconformities affecting the succession were constrained and the duration of the corresponding stratigraphic hiatuses were evaluated. The main finding of this work highlights the strong influence of global climatic fluctuations on the stratigraphic architecture and tectono-sedimentary evolution of the area from the Early Oligocene to the Middle Miocene, during the deposition of the studied succession. Several unconformities associated with significant stratigraphic hiatuses were identified. The most prominent occurs at the boundary between the previously considered Leonardo and Irminio members of the Ragusa formation (Auct.). Enhanced paleoenvironmental reconstruction supports the interpretation of the older unit (Leonardo member) as having been deposited in a relatively homogeneous carbonate ramp environment, spanning from fair-weather wave-base to storm wave-base (approximately 50–100 m water depth), with episodic deepening events that never exceeded the platform depth. In contrast, the depositional environment of the overlying Irminio member is more complex, characterized by shallow marine facies (infralittoral, photic zone) showing both lateral and vertical transitions into deeper marine facies (ranging from inner to outer platform). The transition between the two units occurs at the Oligocene/Miocene boundary, a period marked by significant paleoclimatic shifts, as evidenced by δ¹⁸O maxima, which reflect brief glacial episodes alternating with interglacial phases associated with repeated sea-level fluctuations. These events generated erosion surfaces followed by temporary sedimentation, which were later reworked by subsequent sea-level falls. This process resulted in a major diachronous erosional surface that includes, at its maximum extent, the Oid, Mi1, and Mi1a isotopic events (24,3–21,2 Ma). The marked differences in paleoenvironmental context and the major stratigraphic gap, linked to global paleoclimatic events, support the proposal of a new lithostratigraphic subdivision. The two previously defined members are herein elevated to formation rank, the Leonardo formation and Irminio formation, separated by a regionally significant unconformity, named d-LND/IRM, with a hiatus exceeding 3 million years. The Irminio formation was subdivided into three lithofacies (calcarenitic lithofacies, IRMa; calcareous–marly lithofacies, IRMb; marly–calcareous lithofacies, IRMc). These subdivisions partially reflect those proposed in the geological map by GRASSO (1999), but with clearer documentation of lateral and vertical facies relationships, driven by additional glacio-eustatic fluctuations during deposition and by syn-sedimentary tectonic activity. Within the Irminio formation, two additional unconformities were identified, the older, d1-IRM, occurs within IRMa and is associated with the Mi1aa–Mi1ab and Mi1b isotopic events (20.7–17.6 Ma). It is also recognized in the deeper marine IRMb as a paraconformity surface. The second, (d2-IRM), located at the transition between IRMa and IRMb or within IRMb (as a paraconformity) and is associated with the Mi2 isotopic event (16.3 Ma), with a hiatus currently constrained only by biostratigraphy (calcareous nannofossil biozone MNN4a). A third unconformity, d3-IRM ad associated with a short hiatus (15,64–15,26 Ma), is locally observed at the base of IRMc. This surface correlates with the unconformity (d-TEL) upon which the Tellaro formation occasionally overlies older units. However, this unconformity does not coincide with any recognized global glacio-eustatic event and is therefore interpreted as the result of local tectonic activity. The unconformities d-LND/IRM, d1-IRM, and d2-IRM are also associated with characteristic hardgrounds, and particularly with phosphatic nodule levels (ph-LND/IRM, ph1-IRM and ph2-IRM) containing shark teeth, which were analyzed for strontium isotopic composition. The resulting isotopic ages confirmed and, in some cases refined the chronostratigraphic constraints based on biostratigraphy, enabling correlation of the phosphatic levels with equivalent horizons within the successions of the Maltese Islands. Detailed integrated stratigraphic analyses were performed on two sections of the Leonardo formation, selected for their stratigraphic continuity and excellent exposure. In the Mangiagesso section, in addition to biostratigraphic and paleomagnetostratigraphic analyses, δ¹⁸O and δ¹³C isotopic curves were reconstructed, revealing the likely occurence of the Oi-a isotopic event in the lower part of the succession. Furthermore, cyclostratigraphic analysis highlighted the clear imprint of the 100- and 400-ky eccentricity cycles of Earth’s orbit. Geochemical analysis of elemental composition, performed via XRF, yielded less satisfactory results, likely attributable to laboratory-based sampling than in situ collection. For this reason, repeating the analyses in the field may provide more robust and informative data, potentially offering insights into the provenance of the terrigenous input within the carbonate succession. The Scannalupi section proved particularly interesting due to the identification of the short stratigraphic range of the nannofossil Sphenolithus delphix, which is typically very rare in Mediterranean successions. Its lowest occurrence (LO) is used as a biostratigraphic marker for the Oligocene/Miocene boundary. The scientific community is currently seeking a new candidate section to replace the existing GSSP for the base of the Miocene, presently located at Carrosio–Lemme section in the Northern Apennines. In fact, this stratotype is affected by several issues, primarily due to the presence of turbiditic layers that compromise the precise placement of biostratigraphic and magnetostratigraphic events and reduce its suitability for cyclostratigraphic studies. Further research may therefore be undertaken on the Scannalupi section, which could prove to be a promising candidate for the redefinition of the Miocene GSSP.

Nella presente tesi sono stati illustrati i risultati di uno studio stratigrafico integrato che ha portato a una profonda revisione della successione oligo-miocenica affiorante nell’area del foglio (alla scala 1:50.000) n. 648 Ragusa, in Sicilia SE. La ricerca si è svolta all’interno della realizzazione del foglio geologico, condotta nell’ambito del progetto di cartografia geologica nazionale (CARG) dell’Istituto Superiore per la Ricerca e la Protezione Ambientale (ISPRA), in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) che ha finanziato la borsa di dottorato. L’area di studio, ricadente nel settore di avampaese siciliano della Catena Appenninico-Maghrebide (CARBONE & LENTINI, 2014), è caratterizzata da ampi affioramenti di rocce prevalentemente carbonatiche, che, in base alla suddivisione esistente, vengono descritti come parte di una successione sostanzialmente continua, ascritta a un non meglio definito ambiente neritico-pelagico, in cui gli indizi di ambiente di mare basso vengono considerati alloctoni e ricondotti a risedimenti provenienti dai settori orientali. Le successioni affioranti sono state inizialmente oggetto di un rilevamento geologico-strutturale tradizionale, corredato da analisi di facies, che hanno consentito una più precisa collocazione paleoambientale delle stesse. Sono state, inoltre, condotte analisi biostratigrafiche integrate di dettaglio (foraminiferi e nannofossili), talora corredate da analisi paleomagnetostratigrafiche, che data la similitudine litologica delle successioni, si sono rivelate particolarmente utili nella distinzione delle differenti unità litostratigrafiche e nella definizione delle loro reciproche relazioni, dando origine a una nuova e più efficace suddivisione. Lo studio biostratigrafico ha inoltre consentito una ricollocazione cronostratigrafica delle unità litostratigrafiche, alla luce della recente ridefinizione dei GSSPs dei piani del Miocene, ed è stato possibile vincolare temporalmente le numerose discontinuità che affliggono la successione, tutt’altro che continua, nonchè di stimare la durata degli hiatus ad esse associati. Il principale risultato del lavoro effettuato consiste nell’evidenza che l’assetto stratigrafico complessivo e la conseguente evoluzione tettono-sedimentaria dell’area, è profondamente connessa con le dinamiche climatiche globali, che hanno interessato l’intervallo compreso tra l’Oligocene inferiore e il Miocene Medio, lasso temporale in cui la successione in esame si è deposta. Sono state dunque individuate alcune discordanze, associate a hiatus significativi, di cui quella di maggiore rilievo si trova al limite tra quelli che venivano descritti come due membri della medesima formazione, cioè i membri Leonardo e Irminio della formazione Ragusa (Auct.). La più accurata ricostruzione paleoambientale, ha consentito di confinare l’unità più antica (membro Leonardo) ad un ambiente deposizionale di rampa carbonatica, sostanzialmente omogeneo, compreso tra le zone di fair weather wave-base e storm wave-base (profondità di 50-100 m), che potrebbe temporaneamente approfondirsi senza però superare mai la profondità dell’area di piattaforma. Nettamente differente e decisamente più articolato l’ambiente di deposizione del membro superiore (membro Irminio), con facies caratteristiche di mare basso (infra-litorale di zona fotica) che mostrano passaggi latero-verticali piuttosto complessi a facies di mare più profondo (da piattaforma interna a esterna). Il passaggio tra le due unità avviene alla transizione Oligocene/Miocene, in cui si verificano importanti variazioni paleoclimatiche, evidenziate da massimi di δ18O, che indicano brevi periodi di glaciazioni con successivi intervalli interglaciali, in cui il livello del mare si è abbassato e innalzato numerose volte. Questi episodi hanno creato superfici di erosione, cui hanno fatto seguito temporanee deposizioni di sedimenti, nuovamente spiazzati dalle successive fasi di caduta del livello mare. Questo meccanismo ha generato una profonda superficie di erosione diacrona, che comprende, nel suo intervallo massimo, gli eventi isotopici Oid, Mi1 e Mi1a (24,3-21,2 Ma). Le profonde differenze relative al contesto paleoambientale e l’ampia lacuna stratigrafica, connessa a eventi paleoclimatici globali, hanno suggerito di adottare una differente suddivisione litostratigrafica, proponendo di elevare al rango di formazione i due precedenti membri, che diventano dunque la formazione Leonardo e la formazione Irminio, separate da una discordanza a valenza regionale, qui denominata d-LND/IRM, con uno hiatus temporale che può superare i 3 My. La formazione Irminio è stata suddivisa in tre litofacies (litofacies calcarenitica, IRMa; litofacies calcareo-marnosa, IRMb; litofacies marnoso-calcarea, IRMc), che parzialmente riprendono la suddivisione proposta nella carta geologica di GRASSO (1999), ma in cui si evidenziano i rapporti di latero-verticalità, innescati dalle ulteriori variazioni glacio-eustatiche presenti al tempo della loro deposizione e dalla contemporanea tettonica sin-sedimentaria. All’interno della formazione Irminio, si riconoscono due ulteriori discordanze, la più antica (d1-IRM) all’interno della litofacies IRMa connessa agli eventi isotopici Mi1aa- Mi1ab, Mi1b (20,7-17,6 Ma), che lascia traccia di sé anche all’interno della litofocies IRMb, di mare più profondo, come superficie di paraconformity. La seconda (d2-IRM) al passaggio tra le litofacies IRMa e IRMb o all’interno della litofacies IRMb (come paraconformity) associata all’evento isotopico Mi2 (16,3 Ma) cui si associa uno hiatus al momento vincolato solo su base biostratigrafica (biozona a nannofossili MNN4a). Una terza discordanza (d3-IRM), associata a un breve hiatus (15,64-15,26 Ma), si ritrova localmente alla base della litofacies IRMc e si correla con la discordanza con cui talora la formazione Tellaro poggia sulle unità più antiche (d-TEL). A tale discordanza non sembra però essere associato alcun evento glacio-eustatico globale ed è pertanto imputabile alla tettonica locale. Alle superfici d-LND/IRM, d1-IRM e d2-IRM possono associarsi caratteristici livelli induriti (hardground), ma soprattutto livelli a noduli fosfatici (rispettivamente ph-LND/IRM, ph1-IRM e ph2-IRM) contenenti denti di squalo, analizzati per il contenuto di isotopi dello Stronzio. Le età isotopiche ottenute hanno confermato e, in alcuni casi, raffinato i vincoli temporali ricavati su base biostratigrafica, consentendo la correlazione dei livelli fosfatici con gli omologhi affioranti nella successione delle isole maltesi. Studi stratigrafici integrati di dettaglio hanno riguardato due sezioni relative alla formazione Leonardo, in virtù della continuità e dell’eccellente esposizione della successione stessa. Nella sezione Mangiagesso, oltre alle analisi biostratigrafiche e paleo-magnetostratigrafiche, sono state condotte analisi per la ricostruzione delle curve di δ18O e δ13C, che hanno rivelato la probabile presenza dell’evento isotopico Oi-a, nella parte bassa della successione. Inoltre, l’analisi ciclostratigrafica, ha evidenziato la presenza del forcing legato ai cicli di 100 e 400ky dell’eccentricità dell’orbita terrestre. Meno entusiasmanti si sono rivelati i risultati dell’analisi geochimica derivante dall’esame degli elementi tramite XRF, che però potrebbe essere stata resa meno affidabile dagli esami effettuati in laboratorio piuttosto che in situ, che potrebbero dunque essere ripetuti sul terreno, nel tentativo di ottenere ulteriori dati significativi anche sulla provenienza del materiale terrigeno presente all’interno della successione carbonatica. La sezione Scannalupi si è rivelata particolarmente interessante poiché al suo interno è stato messo in luce il breve intervallo di distribuzione del nannofossile Sphenolithus delphix, generalmente molto raro nelle successioni mediterranee, la cui LO è utilizzata come evento biostratigrafico per riconoscere il limite cronostratigrafico Oligocene/Miocene. La comunità scientifica è attualmente alla ricerca di una sezione che possa rimpiazzare l’odierna sezione stratotipica del GSSP del Miocene (Carrosio-Lemme in Appennino settentrionale), affetta da numerose problematiche legate soprattutto alla presenza di livelli torbiditici che rendono poco affidabile la localizzazione degli eventi biostratigrafici e magnetostratigrafici e poco adatta a studi di ciclostratigrafia. Ulteriori studi potrebbero essere dunque condotti sulla sezione Scannalupi che potrebbe rivelarsi interessante ai fini di una ridefinizione del GSSP del Miocene.