07 SS

Queste bozze, corrette e accompagnate dall’allegato preventivo firmato e dal buono d’ordine, debbono essere restituite immediatamente alla Segreteria della Società Geologica Italiana c/o Dipartimento di Scienze della Terra Piazzale Aldo Moro, 5 – 00185 ROMA

SGI S.S. 7

Boll. Soc. Geol. It., Volume Speciale n. 4 (2005), 53-65, 12 ff.

Contractional structures as relicts of the Northern Apennines collisional stage recorded in the Tuscan nappe of the Mt. Amiata geothermal area (Italy) ANDREA BROGI (*)

ABSTRACT The integration of fieldwork, borehole and geophysical data (commercial seismic reflection profiles) highlighted the occurrence of syncollisional thrust structures within the Tuscan nappe cropping out in the Mt. Amiata geothermal area. These contractional structures crop out in the Mt. Aquilaia-Mt. Buceto area (west to the Bagnore geothermal field), and in the Poggio Zoccolino-Campiglia d’Orcia area (north to the Piancastagnaio geothermal field). Another thrust structure has also been documented by a deep borehole in the subsurface of the Bagnore geothermal field. All thrusts define tectonic subunits characterised by different Tuscan nappe stratigraphical successions. Mesoscopic-scale deformational structures developed during thrusting. They have mainly been observed in the Mt. Aquilaia area, along a contractional shear zone affecting the Marne a Posidonomya Fm., which occurs above the thrust surface. Kinematic indicators, such as s-c structures, reverse faults, folds and related tectonic foliation, indicate the eastwards vergence of thrusting. Such a tectonic framework suggests that, in the Mt. Amiata area, the Tuscan nappe was affected by thickening during the collisional stage of the Northern Apennines (late Oligocene-early Miocene). Nevertheless, from the early-middle Miocene the thickened Tuscan nappe and the overlying Ligurian l.s. units were affected by brittle extensional tectonics. This produced normal faults and detachments which delaminated the previously stacked tectonic pile. Nowadays, the geometrical relationships among the Tuscan nappe and Ligurian units are mainly driven by these structures. In this framework, the contractional structures occurring within the Tuscan nappe represent relicts of the original east-verging fold-and-thrust belt developed during the collisional stage of the Northern Apennines and fortunately preserved during the post-collisional extensional tectonics.

KEY WORDS: Collisional tectonics, Thrusting, Northern Apennines. RIASSUNTO Strutture compressive come relitti dell’evento collisionale dell’Appennino Settentrionale riconosciute nella falda toscana dell’area geotermica del Monte Amiata. Nuovi studi geologici condotti nell’area geotermica del Monte Amiata, realizzati nell’ambito del Progetto CROP18 (LAZZAROTTO & LIOTTA, 1994), hanno permesso di approfondire le conoscenze geologico-strutturali di questo settore di catena interna. In particolare, l’integrazione di dati geologici di superficie, di sondaggio e derivanti dall’interpretazione di profili sismici a riflessione, realizzati da ENEL GreenPower a partire dagli anni ottanta, hanno permesso di riconoscere, nella falda toscana, una importante strutturazione in scaglie tettoniche. Nell’area amiatina questa unità affiora lungo la dorsale di Monte Aquilaia-Monte Buceto-Monte Labbro e nell’area di Poggio Zoccolino (LOSACCO, 1960; CALAMAI et alii, 1970). Numerosi sondaggi profondi perforati a scopo geotermico hanno evidenziato una discontinuità laterale della falda toscana. In alcune aree, infatti, le unità liguri l.s. giacciono direttamente sulle evaporiti triassiche

(*) Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Siena, Via Laterina 8, 53100 Siena, e-mail: [email protected]

(«serie ridotta»), venendo così a mancare la successione triassicomiocenica della falda toscana (CALAMAI et alii, 1970; BROGI, 2004c). I nuovi studi condotti hanno permesso di riconoscere, sia nelle aree ove la falda toscana affiora sia in quelle laddove essa è stata perforata, di raddoppi della successione stratigrafica, collegati allo sviluppo di sovrascorrimenti. Queste strutture sono state riconosciute nell’area di Monte Aquilaia-Monte Buceto, nell’area di Poggio Zoccolino e nel sottosuolo del Campo Geotermico di Bagnore. Tali raddoppi sono riconducibili a sovrascorrimenti d’importanza regionale. Analisi strutturali condotte nel Monte Aquilaia, nella zona di taglio coincidente con il sovrascorrimento, hanno permesso di definire la vergenza orientale di questa struttura. Nella zona di taglio, infatti, sono presenti strutture minori, come pieghe sradicate attraversate da una pervasiva foliazione di piano assiale, strutture s-c e faglie inverse, che indicano un trasporto tettonico verso est. Lo studio della cristallinità dell’illite realizzato nei litotipi più intensamente deformati, presenti nella zona di taglio corrispondente al sovrascorrimento, indicano la presenza di un metamorfismo in anchizona localizzato entro la zona di taglio. Lo sviluppo del metamorfismo è probabilmente dovuto al locale incremento termico conseguente alla concentrazione degli sforzi. Nell’area di Poggio Zoccolino l’esistenza di un sovrascorrimento entro la falda toscana è stata messa in evidenza dall’integrazione di dati di sismica a riflessione, di pozzo e di superficie (BROGI, 2004b). L’esistenza di un ulteriore sovrascorrimento è stata confermata anche nell’area geotermica di Bagnore da dati di sondaggio. Tali strutture compressive sono riferibili alla tettonica collisionale dell’Appennino Settentrionale (Oligocene superiore-Miocene inferiore). Ad essa ha fatto seguito, a partire dal Miocene inferiore-medio, lo sviluppo di strutture distensive associate al collasso estensionale della parte interna della catena (CARMIGNANI et alii, 1994; LIOTTA et alii, 1998). Queste strutture hanno causato l’elisione totale, o di gran parte, della falda toscana, nonché delle sovrastanti unità liguri l.s. («serie ridotta» in DECANDIA et alii, 1993). Nell’insieme, dunque, i rapporti tra le unità tettoniche presenti nell’area amiatina dipendono essenzialmente dalle strutture collegate con la tettonica distensiva miocenica. Ne consegue che le strutture compressive riconosciute entro la falda toscana costituiscono relitti dell’edificio a falde appenninico all’interno di una strutturazione attuale della catena ereditata essenzialmente dalla tettonica distensiva.

TERMINI CHIAVE: Tettonica collisionale, Sovrascorrimenti, Appennino Settentrionale. INTRODUCTION

The Tuscan nappe is the deepest non-metamorphic tectonic unit of the Northern Apennines. This unit is composed of Late Triassic-early Miocene, sedimentary to anchi-metamorphic rocks of the Tuscan domain (CARMIGNANI et alii, 2001 with references therein). The Tuscan nappe, together with overlying Ligurian and Subligurian units, detached from its basement (Tuscan metamorphic basement; COSTANTINI et alii, 1988; BERTINI et alii, 1991; CARMIGNANI et alii, 2001) at the level of the Late Triassic evaporites (Formazione anidritica di Burano and Calcare Cavernoso Fm.) and thrust over the external Tuscan

54

A. BROGI

Fig. 1 - a) Geological sketch-map of the Mt. Amiata geothermal area; the black rectangles show the areas detailed in fig. 4. KEY: 1) magmatic rocks; 2) Early-Middle Pliocene marine sediments; 3) late Miocene continental sediments; 4) Ligurian and Subligurian units; 5) Tuscan nappe. b) Geological sketch-map of southern Tuscany. Sect. 1 indicates the trace of the geological section shown in fig. 11. CROP18A and CROP18B indicate the traces of the crustal seismic reflection profile mentioned in the text. – a) Schema geologico dell’area geotermica del Monte Amiata; i rettangoli neri indicano le aree che sono mostrate in dettaglio nella fig. 4. Spiegazione dei simboli: 1) Rocce magmatiche; 2) Depositi marini del Pliocene inferiore-medio; 3) Depositi continentali del Miocene superiore; 4) Unità liguri e subligure; 5) falda toscana. b) Schema geologico della Toscana meridionale. Sect. 1 indica la traccia della sezione geologica di fig. 11. CROP18A e CROP18B indicano le tracce del profilo sismico crostale a riflessione menzionato nel testo.

Fig. 2 - Panoramic view, from the north, of the Mt. Amiata geothermal area showing the location of the study areas. – Vista panoramica, da nord, dell’area geotermica del Monte Amiata nella quale sono evidenziate le aree studiate.

domain. This produced the stacking of the tectonic units that form the western part of the Northern Apennines (CARMIGNANI et alii, 2001 with references therein). As a consequence of this structural evolution, the Tuscan nappe was affected by polyphase tectonics (PERTUSATI et alii, 1977), attesting to strong involvement in the deformational processes. Numerous studies have described the Tuscan nappe structural setting in the areas of Northern Tuscany where broad exposures occur, such as the Alpi Apuane region (CARMIGNANI et alii, 1991; 1993; DEL TREDICI & PERILLI, 1997; AQUÉ et alii, 2002; CAROSI et alii, 2002), the Val di Lima area (FAZZUOLI et alii, 1998) and the Ligurian Apennines (CARMIGNANI et alii, 1992; CARTER, 1992; MONTOMOLI, 2002). In contrast, south of

the Arno River the Tuscan nappe crops out discontinuously in small windows emerging from the Ligurian and Subligurian units (LAZZAROTTO, 1967; CALAMAI et alii, 1970; LAZZAROTTO & MAZZANTI, 1978). Moreover, the cover vegetation generally obstructs good exposure and prevents detailed geological analyses. However, the Mt. Amiata area, and in particular its western part, represents an exception for southern Tuscany: in fact, the incised morphology and the scarce vegetation, due to the altitudes of over 1000 m, are a great help to geological investigations. The Tuscan nappe occurring in the Mt. Amiata area (figs. 1 and 2) has been newly considered in the framework of the CROP 18 crustal seismic reflection profile interpretation (LAZZAROTTO & LIOTTA, 1994; BROGI et

CONTRACTIONAL STRUCTURES WITHIN THE TUSCAN NAPPE OF THE MT. AMIATA AREA

200 210

250

Clastic marine and continental sediments

MIOCENE

CENOZOIC TERTIARY

PALEOG. NEOGENE

CRETACEOUS

190 ka

M-P-Q

OLIG

LIGURIAN UNITS

EOC

TN2

PAL

K2

TN1

K1 J3

TR3 TR2 TR1

MRU3

J2 J1

PALEOZ.

MRU2

LIGURIAN UNITS TUSCAN NAPPE

MRU1

MR

MONTICIANO-ROCCASTRADA TUSCAN UNIT (MRU) NAPPE (TN)

150

M E S O Z O I C

100

P.- Q.

JURASSIC

50

Q

TRIAS.

20

UM B DO R.-M M AR AI C N H .

LI D GU O R M IA AI N N SU BD LIG O M UR AI I N AN

TUSCAN DOMAIN Internal External

0

Mt. AMIATA

CONTINENTAL MARGIN

OCEAN

55

Hemipelagites and pelagites Carbonate sequence

GC

TUSCAN METAMORPHIC COMPLEX Palaeozoic phyllites

Evaporites

Ophiolites

Conglomerates and quarzites

Thrust vergence

GNEISS COMPLEX

turbidites

a

b

b

Fig. 3 - a) Relationship between the different tectonic units of the Northern Apennines and related palaeogeographical domains (after CARMIGNANI et alii, 1994). b) Tectonostratigraphic units in the Mt. Amiata area: M-P-Q: Miocene, Pliocene and Quaternary sediments; MR - magmatic rocks; Tuscan nappe (TN): TN2 - Rhaetian-early Miocene sequence, TN1 - Late Triassic evaporites; Monticiano-Roccastrada Unit (MRU): MRU3 - Triassic Verrucano Group; MRU2 - Palaeozoic Phyllite-Quartzite Group; MRU1 - Palaeozoic Micaschist Group; GC - Palaeozoic Gneiss Complex (after BATINI et alii, 2003). – a) Relazioni tra le unità tettoniche dell’Appennino Settentrionale e dei relativi domini paleogeografici (da CARMIGNANI et alii, 1994); b) Unità tettono-stratigrafiche presenti nell’area del Monte Amiata; M-P-Q: Depositi miocenici, plioceni e quaternari; MR - rocce magmatiche; falda toscana (TN): TN2 - Successione del Miocene inferiore-Triassico superiore (Retico), TN1 - Evaporiti triassico superiore; Unità di Monticiano-Roccastrada (MRU): MRU3 - Gruppo del Verrucano (Triassico); MRU2 - Gruppo filladico-quarzitico (Paleozoico); MRU1 - Gruppo dei Micascisti (Paleozoico); GC - Complesso degli Gneiss (Paleozoico) (da BATINI et alii, 2003).

alii, 2005a, 2005b). This paper focuses on the results of integrated studies based on new geological field mapping, structural analysis, interpretation of borehole stratigraphy and seismic reflection lines. These studies highlight the occurrence of map- and meso-scale contractional structures which affected the Tuscan nappe during the collisional stage of the Northern Apennines tectonism (late Oligocene-early Miocene), and were disrupted by Early-Middle Miocene extensional structures related to the post-collisional extensional collapse of the western part of the chain.

GEOLOGICAL BACKGROUND

The Mt. Amiata geothermal area belongs to the western (inner) part of the Northern Apennines, a fold-andthrust belt formed by the convergence and collision of the African and European continental margins (BOCCALETTI et alii, 1971). The inner Northern Apennines comprises a stack of east-verging thrusts superimposed on the western margin of the Apulia foreland (CARMIGNANI et alii, 2001, and references therein) (fig. 3). They are composed of, from top to bottom: (a) Ligurian l.s. units consisting of remnants of Jurassic ocean crust and CretaceousOligocene sedimentary cover; (b) Tuscan units including sedimentary (Tuscan nappe, TN) and metamorphic (green-

schist; Monticiano-Roccastrada unit, MRU) sequences ranging from Palaeozoic to early Miocene in age. The metamorphic substratum (Tuscan metamorphic basement) of the sedimentary cover is mainly known through the drilling of geothermal wells (e.g. Larderello-Travale and Mt. Amiata geothermal areas), penetrating the crust down to about 4.5 km (BATINI et alii, 2003, and references therein). In the Mt. Amiata region a magmatic complex (dacitic, rhyodacitic and olivine-latitic rocks, 300-190 ka; FERRARI et alii, 1996), the Ligurian nappe composed of three tectonic units (Ligurian l.s. units), and isolated exposures of Tuscan nappe crop out (CALAMAI et alii, 1970; BROGI, 2004c) (figs. 1 and 3). Neogene deposits, unconformably overlying the pre-Neogene units, crop out west, north and east of the Mt. Amiata area (BOSSIO et alii, 1991, 1993, 1994; LIOTTA & SALVATORINI, 1994; LIOTTA, 1994, 1996; BENVENUTI et alii, 2001). The Ligurian nappe consists of three tectonic units which are, from top to bottom (BROGI, 2001; PANDELI et alii, 2002) (fig. 4a): (1) Ophiolitic unit: comprises scattered outcrops of ophiolites mainly composed of serpentinite, above which the clayey and carbonate sedimentary sequences of the Calcari a Calpionelle and Argille a Palombini fms. (Early Cretaceous) discontinuously occur; (2) S. Fiora unit: a stratigraphic succession composed of calcareous marls and clays (S. Fiora fm.) and sandstones (Pietraforte

56

A. BROGI

Verrucano (Middle-Late Trias) Formation A (Middle Carboniferous)

MRU3

ce

Formation B (? Devonian)

g3

c2

S. FIORA UNIT

MMF PF SFF

SUBLIGUR. UNIT

100 m

g2s g2

100 m

g1

TUSCAN NAPPE

gc1

LIGURIAN L.S. UNITS

OPHIOLITIC UNIT

g2m c1

Formation A (Middle Carboniferous)

MRU2

CF

0

Formation C (Permian)

50

a

MONTICIANO-ROCCASTRADA UNIT

O

t2 200 m

t1

0

b

c

Fig. 4 - Stratigraphical framework of the Ligurian nappe, Tuscan nappe and Tuscan metamorphic basament; a) Structural and stratigraphic relationships between the Ligurian and Subligurian units. Ophiolitic Unit: Σ, Γ, ∆: Ophiolites (serpentinites, gabbros, basalts-middle-late Jurassic), gc1: Mt. Alpe cherts (late Jurassic), c1: Calpionella Limestone (early Cretaceous), c2: Palombini Shales (early Cretaceous); S. Fiora Unit: SFF - Santa Fiora Fm. (late Cretaceous), Pf - Pietraforte Fm. (Late Cretaceous), MMF - Monte Morello Fm. (Paleocene-Eocene); Subligurian Unit: CF - Canetolo Fm. (Paleocene-Eocene) (after BATINI et alii, 2003, redrawn). b) Stratigraphic succession of the Tuscan nappe; Symbols: O - Macigno Fm. (late Oligocene-Early Miocene), ce - Scaglia Toscana Fm. (Cretaceous-Oligocene), c1 - Maiolica Fm. (early Cretaceous), g3 - Diaspri Fm. (Malm), g2m - Marne a Posidonomya Fm. (Dogger), g2s - Calcare Selcifero Fm. (Middle-Late Liassic), g2 - Calcare Rosso ammonitico Fm. (early-middle Liassic), g1 - Calcare Massiccio Fm. (early Liassic), T2 - Calcari a Rhaetavicula contorta Fm. (Rhaetian), T1 - Formazione anidritica di Burano and Calcare Cavernoso Fm. (Norian-Rhaetian) (after BATINI et alii, 2003). (c) Relationships between the Triassic and Palaeozoic formations of the Monticiano-Roccastrada unit encountered by geothermal wells in the subsurface of the Mt. Amiata area (after ELTER & PANDELI, 1991 redrawn). – Successioni stratigrafica delle unità liguri, della falda toscana e dell’unità di Monticiano-Roccastrada. a) Relazioni stratigrafico-strutturali tra le Unità Liguri e Subligure. Unità ofiolitifera: S, G, D: Ofioliti (serpentiniti, gabbri, basalti-Giurassico medio-superiore), gc1: Radiolariti di Monte Alpe (Giurassico superiore), c1: Calcari a Calpionella (Cretaceo inferiore), c2: Argille a Palombini (Cretaceo inferiore); Unità di S. Fiora: SFF: Formazione di Santa Fiora (Cretaceo superiore), Pf: Pietraforte (Cretaceo superiore), MMF: Formazione di Monte Morello (Paleocene-Eocene); Unità Subligure: CF: Formazione di Canetolo (Paleocene-Eocene) (da BATINI et alii, 2003). b) Successione stratigrafica della falda toscana; simboli: O - Macigno (Oligocene superiore-Miocene inferiore), ce - Scaglia Toscana (Cretaceo-Oligocene), c1 - Maiolica (Cretaceo inferiore), g3 - Diaspri (Malm), g2m - Marne a Posidonomya (Dogger), g2s - Calcare Selcifero (Lias medio-superiore), g2 - Calcare Rosso ammonitico (Lias inferioremedio), g1 - Calcare Massiccio (Lias inferiore), T2 - Calcari a Rhaetavicula contorta (Retico), T1 - Formazione anidritica di Burano e Calcare Cavernoso (Norico-Retico) (da BATINI et alii, 2003). c) Relazioni tra le formazioni triassiche e paleozoiche appartenenti all’unità di MonticianoRoccastrada perforata nell’area geotermica del Monte Amiata (da ELTER & PANDELI, 1991).

Fm.) (Late Cretaceous) and Monte Morello Fm. (Paleocene-Eocene); (3) Argille e calcari (or Subligurian unit): stratigraphic sequence characterised by the clayey and carbonatic (mainly calcarenites) Canetolo and Calcareniti di Groppo del Vescovo Fms. (Paleocene-Oligocene). The outcropping Tuscan nappe (fig. 4b) consists of a Mesozoic carbonate succession (LOSACCO, 1960; CALAMAI et alii, 1970) (Calcare Massiccio Fm., Hettangian; Calcare Rosso ammonitico Fm., early-middle Liassic; Calcare Selcifero Fm., middle-late Liassic; Marne a Posidonomya Fm., Dogger; Diaspri Fm., Malm; Maiolica Fm., Early Cretaceous), a Mesozoic-Cenozoic pelagic succession (Scaglia Toscana Group, Cretaceous-Oligocene) and a Cenozoic quartz-feldspar turbiditic succession (Macigno Fm., Late Oligocene-Early Miocene). Some boreholes encountered the deepest formations of the Tuscan nappe, rarely cropping out in the Mt. Amiata area: the Calcari a

Rhaetavicula contorta Fm. (Rhaetian) and the Triassic evaporites («Anidriti di Burano» Fm., Norian-Rhaetian). The Tuscan metamorphic basement has only been documented by deep boreholes (GIANELLI et alii, 1988; ELTER & PANDELI, 1991) (fig. 4c). In the Mt. Amiata area this is represented by the Monticiano-Roccastrada unit (COSTANTINI et alii, 1988; CONTI et alii, 1991), which is composed of very low-grade metamorphic sequences (ELTER & PANDELI, 1991 with references therein). The tectonic features of the Mt. Amiata geothermal area reflect the collisional and extensional processes affecting the Northern Apennines. Compressional features are represented by stacking of the tectonic units. Extensional structures dominate, and profoundly modified the geometrical relationships between the tectonic units after their emplacement. Two main extensional events have been recognised: (a) the first extensional


57

A

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Mt. Aquilaia

Stribugliano

Poggio la Faggia

14

13

Mt. Buceto

North 0

2 Km

0

ni fa co di Ra

Campiglia d'Orcia

BI

n si Ba

Poggio Zoccolino

Bagni di S.Filippo S.Filippo 1 borehole

B Line 1

Monte Amiata 2 borehole

b

AI 500 m

a

Fig. 5a - Geological sketch-maps of Mt. Aquilaia-Mt. Buceto and Poggio Zoccolino-Campiglia d’Orcia areas. Their location is shown in fig. 1a. Symbols: 1) detritus; 2) volcanic rocks (300-190 ky, FERRARI et alii, 1996); 3) Quaternary travertines; 4) Pliocene marine clastic sediments; 5) Ligurian l.s. units; 6) Tuscan nappe: Macigno Fm.; 7) Tuscan nappe: Calcareniti di Montegrossi Fm.; 8) Tuscan nappe: Scaglia Toscana Fm.; 9) Tuscan nappe: Maiolica, Diaspri, Marne a Posidonomya, Calcare Selcifero, Calcare Massiccio and Calcare a Rhaetavicula contorta Fms.; 10) Tuscan nappe: Calcare Cavernoso Fm. and Formazione anidritica di Burano; 11) thrust; 12) buried thrust; 13) low-angle normal faults; 14) highangle normal faults. A-A1 and B-B1 indicate the geological section traces shown in fig. 5b. – Schemi geologici delle aree di Monte Aquilaia-Monte Buceto e Poggio ZoccolinoCampiglia d’Orcia. La loro ubicazione è mostrata in fig. 1. Spiegazione dei simboli: 1) detrito; 2) rocce vulcaniche (300190 ka, FERRARI et alii, 1996); 3) Travertini quaternari; 4) Depositi marini pliocenici; 5) unità liguri l.s.; 6) falda toscana: Macigno; 7) falda toscana: Calcareniti di Montegrossi; 8) falda toscana: Scaglia Toscana; 9) falda toscana: Maiolica, Diaspri, Marne a Posidonomya, Calcare Selcifero, Calcare Massiccio e Calcare a Rhaetavicula Contorta; 10) falda toscana: Calcare Cavernoso e Formazione anidritica di Burano; 11) thrust; 12) thrust sepolti; 13) faglie dirette a basso angolo; 14) faglie dirette ad alto angolo. A-A1 e B-B1 indicano le tracce delle sezioni geologiche mostrate in fig. 5b.

58

A. BROGI

Mt. Aquilaia

A

A1

Mt. Buceto

1400

1400

plane Thrust

1200

1200

1000

1000

800

800

600

600

400

400 200

200 0

0

400 m

0

SW

NE

B

B1

Poggio Zoccolino Thrust plane

1000

1000

900

900

800

800

700

700

600

600

500

500 400

400

SW

1

2

3

4

5

6

0

200 m

7

8

Deformative events

Structures

Age

D0

Syn-sedimentary normal faults, extensional calcite veins and stylolitic joints

Cretaceous-Eocene

D1

Folds, tectonic foliation, reverse faults, s-c structures

early Miocene

D2

Folds, reverse faults

early Miocene

D3

Low-angle normal faults

middle Miocene

D4

Normal and strike-slip faults

late Miocene Quaternary

Fig. 6 - Table summarising the structures and ages of the different deformational events recognised in the Tuscan nappe exposed in the Mt. Amiata area. – Tabella che riassume le strutture e l’età degli degli eventi deformativi riconosciuti nella falda toscana affiorante nell’area del Monte Amiata.

stage (middle-late Miocene, in BROGI et alii, 2005a) produced widespread tectonic elision by means of low-angle normal faults (detachments) (e.g. «serie ridotta» = reduced sequence) (LAVECCHIA, 1988; LAVECCHIA et alii, 1984; BERTINI et alii, 1991; DECANDIA et alii, 1993); (b) the second extensional stage (Late Miocene-Quaternary) produced normal and transtensional faults displacing all the previous structures.

NE

9

Fig. 5b - Geological cross-sections; their location is shown in fig. 5a. KEY: 1) EarlyMiddle Pliocene marine sediments; 2) Ligurian and Subligurian units; 3) Tuscan nappe: Macigno Fm.; 4) Tuscan nappe: Nummulitico Fm.; 5) Tuscan nappe: Scaglia Toscana Fm.; 6) Tuscan nappe: Diaspri Fm.; 7) Tuscan nappe: Marne a Posidonomya and Calcare Selcifero Fms.; 8) Tuscan nappe: Calcare Massiccio and Calcari a Rhaetavicula contorta Fms.; 9) Tuscan nappe: Calcare Cavernoso and/or Formazione anidritica di Burano. – Sezioni geologiche; la loro ubicazione è mostrata in fig. 5a. Spiegazione dei simboli: 1) depositi marini del Pliocene inferioremedio; 2) unità liguri e subligure; 3) falda toscana: Formazione del Macigno; 4) falda toscana: Formazione del Nummulitico; 5) falda toscana: Scaglia Toscana; 6) falda toscana: Formazione dei Diaspri; 7) falda toscana: Formazione delle Marne a Posidonomya e del Calcare Selcifero; 8) falda toscana: Formazione del Calcare Massiccio e dei Calcari a Rhaetavicula contorta; 9) falda toscana Calcare Cavernoso e/o Formazione anidritica di Burano.

volcano (figs. 1, 2 and 5). Polyphase tectonism, consisting of different deformational events, has been recognised. These deformational events are, from the oldest (fig. 6): D0 deformational event: characterised by synsedimentary normal faults and extensional calcite veins, perpendicular to bedding-parallel stylolitic joints. These structures affected the Cretaceous-Eocene formations («Maiolica» and «Scaglia Toscana» fms.) and have recently been described in BROGI (2004a). D1 deformational event: characterised by east-verging thrust and related folds (F1) with associated tectonic foliation (S1), s-c structures and reverse faults. These structures have mainly been observed both in the Mt. AquilaiaMt. Buceto and Poggio Zoccolino areas and in the subsurface of the Bagnore geothermal field, and will be described in detail hereafter. D2 deformational event: a prominent folding event affecting the Tuscan nappe. This produced SE-verging, N30°-N40° striking folds (F2), associated with a spaced S2 axial planar foliation. The F2 folds, some metres in size, show interlimb angles ranging from 40° to 70° (close folds, sensu RAMSAY & HUBER, 1987) and are referable to the 1B and 1C classes of RAMSAY (1967). They are mainly asymmetric and overturned, with gently NW-dipping axial planes. S2 foliation mainly occurs in the fold hinges and can be defined as crenulation cleavage.

TECTONIC SETTING OF THE TUSCAN NAPPE

Structural studies have been carried out in the Tuscan nappe exposed by the relief neighbouring the Mt. Amiata

D3 deformational event: the most prominent deformational event affecting the Tuscan nappe. It is characterised by low-angle normal faults with a flat-ramp-flat


59

Tuscan nappe

SU1

SU2

SU1

SU2

Liguria n l.s. u nits

MAC NUM MAC

DUD NUM

NUM DUD

DUD MSU DUD NUM

RAD

MSU RAD

MAI

BRO

MAI

BRO

DI DI MAI 10 m

POD DI

Mt. Buceto

0

Mt. Aquilaia Fig. 7 - Tectonostratigraphical relationships between the Tuscan nappe formations exposed in the Mt. Aquilaia-Mt. Buceto area. Two subunits (SU1 - Subunit 1; SU2 - Subunit 2) are present related to an east-verging thrust associated with the D1 deformational event. SYMBOLS: NUM - Calcareniti a Nummuliti; DUD - Argilliti e calcareniti di Dudda Fm.; MSU - Marne del Sugame Fm.; RAD - Argilliti di Brolio Fm.: radiolarites; BRO - Argilliti di Brolio Fm.: limestones and clays; MAI: Maiolica Fm.; DI - Diaspri Fm.; POD - Marne a Posidonomya Fm. The geological boundaries between the Tuscan nappe formations are always tectonised, and such boundaries are indicated by the arrows separating the formations. – Rapporti tettono-stratigrafici delle formazioni della falda toscana nell’area di Monte Aquilaia e di Monte Buceto. Sono riconoscibili due sottounità (SU1 - Sottounità 1; SU2 - Sottounità 2) che si sono individuate a seguito dello sviluppo di un sovrascorrimento a vergenza orientale, collegato all’evento deformativo D1. Spiegazione dei simboli: MAC - Macigno; NUM - Calcareniti a Nummuliti; DUD - Argilliti e calcareniti di Dudda; MSU - Marne del Sugame; RAD - Argilliti di Broli: Radiolariti; BRO - Argilliti di Brolio: argilliti e calcilutiti; MAI: Maiolica; DI - Diaspri; POD - Marne a Posidonomya. I contatti tra le unità litostratigrafiche sono spesso tettonizzati. Le frecce collocate in corrispondenza dei contatti tra le formazioni indicano contatti tettonizzati.

geometry which caused the partial or complete tectonic elision of the Tuscan nappe stratigraphic sequence («serie ridotta» in DECANDIA et alii (1993), with references therein). Thus, the Ligurian l.s. units overlie the Triassic evaporites which represent the basal stratigraphic unit of the Tuscan nappe. In particular, in the Mt. Amiata area, the Tuscan nappe consists of three megaboudins of varying size (BROGI, 2004c), in which the stratigraphic succession is complete or lacking in some formations. D4 deformational event: characterised by high-angle normal or strike-slip faults striking N130°-N160° or N30°N80°. The Quaternary magmatic activity of Mt. Amiata volcano occurred along SW-NE oriented normal faults (FERRARI et alii, 1996; ACOCELLA & FUNICIELLO, 2002). THE THRUST SHEETS WITHIN THE TUSCAN NAPPE

THE MT. AQUILAIA-MT. BUCETO THRUST In this area (fig. 5) the Tuscan nappe comprises the formations between the Marne a Posidonomya and the

Macigno fms. (CALAMAI et alii, 1970; FAZZINI et alii, 1978; BROGI & LAZZAROTTO, 2002). The Scaglia Toscana Fm. crops out widely, while the Maiolica, Diaspri and Marne a Posidonomya fms. are exposed only in scattered outcrops. In the Mt. Aquilaia area a thrust caused the repetition of the Tuscan nappe stratigraphical succession. The Marne a Posidonomya fm., with overlying younger formations, overlies the upper part of the Scaglia Toscana Fm. On the whole, the thrust defines two tectonic subunits (SU1 and SU2): SU1 consists of the stratigraphic units between the Marne a Posidonomya and the Macigno fms.; SU2 consists of the Diaspri, Maiolica and Scaglia Toscana fms. (fig. 7). In the Mt. Buceto area the continuation of the Mt. Aquilaia thrust occurs. Here, this structural element shows a gently east-dipping attitude and, similarly to Mt. Aquilaia, defines two subunits (SU1 and SU2): SU1 consists of the Scaglia Toscana Fm.; SU2 consists of the stratigraphic units between the Diaspri Fm. and the Macigno Fm. (fig. 7). Minor structures associated with the thrust have been recognised (fig. 8). In particular, in the southern side of

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A. BROGI

Fig. 8 - Some examples of D1 deformational structures located in the shear zone corresponding to the Mt. Aquilaia thrust plane; the deformed rocks belong to the Marne a Posidonomya Fm. a) Isoclinal detached fold with a pervasive axial planar tectonic foliation (S1); S0 indicates the bedding. b) Detail of an isoclinal fold and its tectonic foliation (S1). c) Bedding (S0)/foliation (S1) relationships in a fold limb. d) Reverse faults with centimetre displacement; S0 indicates the bedding and S1 the tectonic foliation; the black rectangle shows the detailed image in fig. e. e) Detail of fig. d in which tension gashes linked to the reverse faults are recognisable. – Alcuni esempi di strutture collegate all’evento deformativo D1, localizzate lungo la zona di taglio corrispondente al thrust di Mt. Aquilaia. Le rocce deformate appartengono alle Marne a Posidonomya. a) piega isoclinale sradicata e relativa foliazione di piano assiale (S1); S0 indica la superficie di stratificazione. b) Particolare di una piega isoclinale e della sua foliazione tettonica (S1). c) Relazioni tra superficie di stratificazione S0 e foliazione tettonica S1 in corrispondenza del fianco di una piega. d) faglie inverse con rigetto centimetrico; S0 indica la superficie di stratificazione e S1 la foliazione tettonica; il rettangolo nero indica l’area della foto mostrata in dettaglio nella fig. e. e) Dettaglio della fig. d nel quale sono riconoscibili tension gashes associate allo sviluppo della faglia inversa.

Mt. Aquilaia, these structures have been observed close to the thrust surface. Detached folds, reverse faults and s-c structures occur within a shear zone, about 10 m thick, located above the thrust surface. The folds, tens of centimetres in size, show interlimb angles ranging from 0° to 30° (tight folds, sensu RAMSAY & HUBER, 1987) and are referable to class 2 of RAMSAY (1967). Their axes are N-S oriented, recumbent and horizontal with axial planes roughly parallel to the bedding (fig. 8a and b). S1 tectonic foliation is the most prominent structural element associated with the F1 folds. It ranges from penetrative foliation (slaty cleavage) in the pelitic rocks, to a spaced disjunctive cleavage (stylolitic cleavage) in the calcareous rocks (limestone and marls) (fig. 8c). In the F1 fold limbs, the S1 foliation crosscuts the bedding at variable angles depending on the lithotypes: it is roughly parallel to the bedding in the pelites and shales, and the angle increases with the competence of the rocks. In thin section, S1 foliation is marked by a common preferred orientation of minerals and flattened fossil remains. Depending on the composition, S1 ranges from more or less spaced cleavage to a continuous foliation (PASSCHIER & TROUW, 1996). The dynamic recrystallisation of calcite±quartz±illite±oxides, occurring only in the foliated rocks involved in the shear zone, confirms a very low grade of metamorphism mainly affecting

the pelitic rocks. S-c structures have been observed in the pelitic rocks only. They consist of shear planes (c) and conjugate flattening surfaces (s); the intersection between the s and c surfaces generates lines which are perpendicular to the direction of tectonic transport, and their orientation, ranging from N170° to N190°, is parallel to the F1 fold axes. The relationships between s and c planes indicate the eastward facing of these structures. Reverse faults range from centimetres to decimetres in size. They show a flat-ramp-flat geometry: flats, ranging from 0° to 5° with respect to the bedding, occur in the clayey interstrata; ramps, ranging from 10° to 30°, occur in the calcareous rocks (fig. 8d and e). Sometimes their displacement is not detectable; occasionally, decimetrescale displacements have been observed. THE POGGIO ZOCCOLINO-CAMPIGLIA D’ORCIA THRUST In this area the complete Tuscan nappe stratigraphic succession, without the Macigno Fm., is exposed in the eastern side of the Poggio Zoccolino hill (LOSACCO, 1960; CALAMAI et alii, 1970). Ligurian l.s. units lie on the Scaglia Toscana Fm. and are broadly exposed west to the Poggio Zoccolino hill (fig. 5). Very complicated geometric relationships occur among the Late Triassic-Oligocene Tu-


scan nappe formations, as suggested by surface geological data (e.g. CALAMAI et alii, 1970) (fig. 5). These data highlight the occurrence of two small outcrops of Late Triassic Calcare Cavernoso Fm. (deriving from alteration of the coeval evaporites) and Calcari a Rhaetavicula contorta Fm. emerging from the Ligurian l.s. units, located respectively west and southwest of Campiglia d’Orcia village (fig. 5). These outcrops are exposed at the top of the Poggio Zoccolino hill, and their altitude is greater then the Scaglia Toscana Fm. surface and subsurface geological data, including boreholes and commercial seismic reflection profiles, suggesting that the outcrops of Calcare Cavernoso and Calcari a Rhaetavicula contorta fms. belong to an overthrust stratigraphic succession (BROGI, 2004b) (fig. 10). Part of the thrust sheet is displayed in the seismic image shown in fig. 10, where the geometry of the reflectors indicates a west-dipping tectonic boundary corresponding to a thrust surface which separates the Calcare Cavernoso and Calcari a Rhaetavicula contorta fms. from the underlying Scaglia Toscana Fm.

SCA

MAI DI CRE

MPA

EVA

CSE

CRA

SUBSURFACE THRUST WITHIN THE TUSCAN NAPPE Deep boreholes (up to 4500 m) were realised in the Mt. Amiata geothermal area by ENEL GreenPower, mainly in the Bagnore and Piancastagnaio geothermal fields (fig. 1). Some deep wells encountered the Ligurian l.s. units directly on top of the Triassic evaporites, but some of these encountered the Tuscan nappe below the Ligurian l.s. units. These features attest to widespread Tuscan nappe megaboudinage in the subsurface of the Mt. Amiata geothermal area (BROGI, 2004C). In particular, in the Tuscan nappe megaboudin occurring in the Bagnore geothermal field (BROGI, 2004c), the Bagnore 8 well highlighted the occurrence of a repetition of the Tuscan nappe stratigraphic succession (CALAMAI et alii, 1970): a subunit only composed of Triassic evaporites overlies a subunit comprising Triassic evaporites and the Marne a Posidonomya Fm. (fig. 11).

61

CMA

CRE

100 m

0

EVA

DISCUSSION

The Tuscan nappe exposed in the Mt. Amiata area and drilled by geothermal boreholes was affected by thrusting which produced repetitions of its stratigraphic succession (figs. 7 and 9). Kinematic indicators located within a contractional shear zone developed during thrusting indicate the eastward vergence of the major structures. The mineralogical assemblage, consisting of calcite±quartz±illite±oxide minerals occurring only in the foliated pelitic rocks within the shear zone, suggests that thrusting produced strain concentration, a localised temperature increment and related very low-grade metamorphism (FREY & ROBINSON, 1999). Fieldwork highlights that the thrust sheets within the Tuscan nappe did not affect the Ligurian l.s. units. In addition, the Ligurian l.s. units were always detached from the Tuscan nappe by low-angle normal faults, which produced the Tuscan nappe megaboudinage (BROGI, 2004C). The non-involvement of the Ligurian l.s. units in the thrusting, as well as the age of the Macigno Fm. (late Oligocene-early Miocene, in COSTA et alii, 1997; CORNAMUSINI, 2002) which was dissected by thrusts, are important elements in the determination of the thrusting age. In fact, the emplacement of

Fig. 9 - Tectonostratigraphical relationships between the Tuscan nappe formations in the Poggio Zoccolino and Campiglia d’Orcia area. Two subunits (SU1 - Subunit 1; SU2 - Subunit 2) related to an east-verging thrust have been recognised. Symbols: EVA - Formazione anidritica di Burano or Calcare Cavernoso Fm.; CRE: Calcari a Rhaetavicula contorta Fm.; CMA: Calcare Massiccio Fm.; CRA: Calcare Rosso ammonitico Fm.; CSE: Calcare Selcifero Fm.; MPA: Marne a Posidonomya Fm.; DI: Diaspri Fm.; MAI: Maiolica Fm.; SCA: Scaglia Toscana Fm. – Rapporti tettono-stratigrafici delle formazioni della falda toscana nell’area di Poggio Zoccolino e di Campiglia d’Orcia. Sono riconoscibili due sottounità (SU1 - Sottounità 1; SU2 - Sottounità 2) che si sono individuate a seguito dello sviluppo di un sovrascorrimento a vergenza orientale. Spiegazione dei simboli: EVA - Formazione anidritica di Burano o Calcare Cavernoso; CRE: Calcari a Rhaetavicula contorta; CMA: Calcare Massiccio; CRA: Calcare Rosso ammonitico; CSE: Calcare Selcifero; MPA: Marne a Posidonomya; DI: Diaspri; MAI: Maiolica; SCA: Scaglia Toscana.

the Subligurian unit on the Tuscan nappe has been ascribed to the Oligocene-early Miocene on the basis of tectonosedimentary relationships (COSTANTINI et alii, 1993 with references therein). As a consequence, the thrusting within the Tuscan nappe can be ascribed to the immediate post-early Miocene time of Macigno deposition and related to the stacking process developed during

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A. BROGI

Fig. 10 - Seismic image crossing the Poggio Zoccolino area, along the dashed Line 1 shown in fig. 5b; this seismic image consists of part of a seismic line acquired by ENEL GreenPower in the 1980s. Parameters for data acquisition and processing are described in BATINI et alii (1978, 1985) and CAMELI (1994). The datum plane is at +200 m above sea-level. a) Simple migrated seismic profile; b) geological interpretation. Symbols: L - Ligurian l.s. Units; TN3 - Macigno and Scaglia Toscana Fms; TN2 - Maiolica, Diaspri, Marne a Posidonomya, Calcare Selcifero, Calcare Massiccio and Calcare a Rhaetavicula contorta Fms.; TN1 - Formazione anidritica di Burano and Calcare Cavernoso Fm. – Immagine sismica attravero l’area di Poggio Zoccoliono, lungo la linea tratteggiata (Line 1) mostrata in fig. 5b; questa immagine sismica costituisce una parte di un profilo sismico acquisito da ENEL GreenPower negli anni ottanta. I parametri di acquisizione e di processing sono descritti in BATINI et alii (1978, 1985) and CAMELI (1994). Il datum plane è a +200 metri sul livello del mare. a) immagine sismica migrata; b) interpretazione geologica. Spiegazione dei simboli: L - Unità Liguri l.s.; TN3 - Macigno and Scaglia Toscana; TN2 - Maiolica, Diaspri, Marne a Posidonomya, Calcare Selcifero, Calcare Massiccio and Calcare a Rhaetavicula contorta; TN1 - Formazione anidritica di Burano e Calcare Cavernoso.

the Northern Apennines collisional stage. The thrust structures were deformed by the later D2 folding event, as also shown in other areas of southern Tuscany (CAMPETTI et alii, 1995, 1999), probably related to the initial stages of the extensional tectonics (CARMIGNANI et alii, 1991; 1993; ELTER & SANDRELLI, 1994). Normal faulting related to the D3 event dissected both the D1 and D2 structures and modified the original relationships between the tectonic units. In fact, the F3 normal faults mostly reactivated the thrust planes and, in the Mt. Amiata region (CALAMAI et alii, 1970; BROGI, 2004c), as well as in southern Tuscany (LAZZAROTTO, 1967; LAZZAROTTO & MAZZANTI, 1978; DECANDIA et alii, 1993), produced the direct superimposition of the Ligurian l.s. units on to the Triassic Tuscan nappe formations. This suggests that the Tuscan nappe was locally delaminated and consequently the oldest structures were locally erased. On these grounds, it can be hypothesised that some thrust planes within the Tuscan nappe were reactivated as low-angle normal faults. This could justify the lack of some Tuscan nappe formations mainly in the overthrust subunits (SU1), as is the

case in the subsurface of the Bagnore geothermal field and the Poggio Zoccolino area (figs. 5b and 11). CONCLUSIONS

In the Mt. Amiata geothermal area, the Tuscan nappe was affected by widespread thickening developed during the syncollisional stage of the Northern Apennines tectonism. This occurred by means of east-verging thrusts, developed during emplacement of the Ligurian l.s. units (Late Oligocene-Early Miocene). The vergence of the thrusting confirms the eastward emplacement of the Tuscan nappe in the Northern Apennines tectonic pile. The Tuscan nappe was affected by polyphase tectonics, recording the main deformational events related to the Northern Apennines tectonic history. The thickened Tuscan nappe was successively thinned by low-angle normal faults, which presently represent the dominant structures in this part of the chain. Low-angle normal faults caused the development of Tuscan nappe megaboudins in which


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Fig. 11 - Geological section across the Bagnore geothermal field. Its location is shown in figure 1a. The geothermal borehole Bagnore 8 drilled two Tuscan nappe subunits: the uppermost one (SU1) is composed of only Late Triassic evaporites (Formazione anidritica di Burano); the lowermost one (SU2) is composed of a stratigraphic succession comprising Late Triassic evaporites and the Marne a Posidonomya Fm. (after CALAMAI et alii, 1970 redrawn). SYMBOLS: 1) detritus; 2) Ligurian l.s. Units; 3) Calcareniti a Nummuliti; 4) Scaglia Toscana Fm.; 5) Diaspri Fm.; 6) Marne a Posidonomya Fm.; 7) Calcare Selcifero Fm.; 8) Calcare Massiccio Fm.; 9) Calcari a Rhaetavicula contorta Fm.; 10) Formazione anidritica di Burano; 11) Volcanic Complex. – Sezione geologica attraverso il campo geotermico di Bagnore. La traccia della sezione è mostrata in fig. 1a. Il pozzo geotermico Bagnare 8 ha perforato due sottounità di falda toscana: quella superiore (SU1) è composta esclusivamente dalle evaporiti triassiche (Formazione anidritica di Burano), mentre quella inferiore (SU2) è costituita da una successione stratigrafica compresa tra le evaporiti triassiche e le Marne a Posidonomya (da CALAMAI et alii, 1970, ridisegnato). Spiegazione dei simboli: 1) Detrito; 2) Unità liguri l.s.; 3) Calcareniti a Nummuliti; 4) Scaglia Toscana; 5) Diaspri; 6) Marne a Posidonomya; 7) Calcare Selcifero; 8) Calcare Massiccio; 9) Calcari a Rhaetavicula contorta; 10) Formazione anidritica di Burano; 11) Complesso Vulcanico.

1

c

b 2

3

4

Tuscan nappe subunit 1



Ligurian l.s. units


Ligurian l.s. Units

a


Ligurian l.s. Units


W

E

W

E

Fig. 12 - a) The Tuscan nappe of the Mt. Amiata area is characterised by two sub-tectonic units (SU) stacked during the syncollisional stage of the Northern Apennines tectonism, in turn overlain by Ligurian l.s. Units; b) schematic relationships among the Tuscan nappe SU and the Ligurian units in the Poggio Zoccolino-Campiglia d’Orcia area; c) schematic relationships among the Tuscan nappe SU and the Ligurian units in the subsurface of the Bagnore geothermal field. The overthrust subunits (subunit 1) were probably characterised by the TriassicOligocene stratigraphical succession, but they were partially delaminated by low-angle normal faults, as well as the uppermost sequence of subunit 2. KEY: 1) Triassic evaporites; 2) Jurassic carbonate succession; 3) Cretaceous-Oligocene shales and limestones (Scaglia Toscana Fm.); 4) Late Oligocene-Early Miocene turbiditic micaceous sandstones (Macigno Fm.). – a) La falda toscana presente nell’area del Monte Amiata è caratterizzata da due sottounità tettoniche sviluppate durante la fase collisionale della catena. Esse a loro volta sono sormontate dalle Unità Liguri; b) relazioni schematiche tra le sottounità di falda toscana e le unità liguri nell’area di Poggio Zoccolino e di Campiglia d’Orcia; c) relazioni schematiche tra le sottounità di falda toscana e le unità liguri nel sottosuolo del Campo geotermico di Bagnore. Le sottounità sovrascore (SU1) erano probabilmente costituite da una successione stratigrafica completa e probabilmente sono state delaminate a seguito dello sviluppo di faglie dirette a basso angolo, così come presumibile anche nelle sottounità SU2. Spiegazione dei simboli: 1) Successione evaporitica triassica; 2) Successione carbonatica giurassica; 3) Successione argilloso-calcarea cretacico-oligocenica (Scaglia Toscana); 4) Arenarie torbiditicche micacee dell’Oligocene superiore-Miocene inferiore (Macigno).

64

A. BROGI

collisional structures are locally preserved. In this framework, the collisional structures documented both in the Mt. Aquialia-Mt. Buceto and Poggio Zoccolino areas, and drilled in the subsurface of the Bagnore geothermal field, represent relict collisional structures fortunately preserved during extensional tectonics. On the whole, remains of the original fold-and-thrust belt, rarely documented in the Tuscan nappe nucleus of southern Tuscany, have been highlighted in the Mt. Amiata area. ACKNOWLEDGEMENTS ENEL GreenPower permitted consultation of its geological and geophysical database. Two anonymous referees are thanked for their constructive remarks and critical reading of the manuscript. Financial support by PAR2003 (coord. Antonio Lazzarotto).

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Manoscritto pervenuto l’8 Marzo 2004; testo approvato per la stampa il 24 Gennaio 2005; ultime bozze restituite il 2 Marzo 2005.