Sedimentary Petrography and Sequence Stratigraphy: the relationships between compositional signatures and sequence- stratigraphic framework of siliciclastic successions

The use of petrographic procedures to characterize compositional variations within sedimentary successions and across stratigraphic unconformities has been successfully applied in different provenance studies. However, the use of variation in sand composition to support sequence- stratigraphic interpretation is still in an early stage and requires more case studies to test its effectiveness. Sediment composition and texture are controlled by the same allogenic (e.g., eustatic, climatic and tectonic changes) and autogenic (e.g., sediment transport, hydraulic sorting and post depositional processes) factors that govern the sequence-stratigraphic architecture of a sedimentary succession. Allogenic processes act on a long temporal scale and controls the rate and composition of sediment supply, basin physiography, and accommodation space. Autogenic processes occur over shorter temporal scales but may have considerable influence on local sediment supply and have low correlation potential across the sedimentary basin. This work investigates how sediment composition varies within the systems tracts forming depositional sequences in continental and marine siliciclastic sedimentary succession in response to autogenic and allogenic forcing. For this purpose, I examined the sand variability along the modern Tevere and Po River systems and within their associated sedimentary successions for which the sequence-stratigraphic framework was already defined. Compositional trends within high-rank and low-rank depositional sequences of the Pleistocene to Holocene Roman and Po basins suggests that major provenance changes occurred in response to allogenic processes that forced major paleogeographic rearrangement associated with cyclic changes in relative-sea level. Subtle and local petrographic changes with low correlation potential across the sedimentary basin reflect instead the sedimentary processes operating in each depositional environment and their understanding is possible through comparison with modern detrital signatures. The Middle Pleistocene to Holocene succession of the Roman Basin records a close interaction among tectonic uplift, volcanism, climate, and glacio-eustasy. Such interaction is reflected in a complex stratal pattern and stratigraphic architecture where high-rank and low-rank depositional sequences are developed and where qualitative and quantitative changes in sand composition are recorded across the systems tracts of the higher-rank Ponte Galeria Depositional Sequence (PGS). Tectonic evolution in the Tiber River drainage basin following Pleistocene volcanic activity played a major role controlling provenance and magnitude of erosion and stream-network reorganization in the Tiber drainage basin, which in turn is reflected in sand composition. Relative sea-level changes reflect local tectonic effects (regional uplift and volcanism) which overrode glacio-eustatic sea-level fluctuations and controlled the overall stacking pattern and composition of the low-rank sequences forming the PGS. In the modern Tiber River system, sand compositional trends reflect provenance mixing, anthropic intervention, and the effects of local autogenic factors in continental to marine depositional environments. Petrofacies trends are linked, and intimately controlled by physical processes (e.g., hydraulic sorting and hydrodynamic fractionation by grain-size) and sedimentary mixing within each depositional environment. Provenance changes within the Upper Pleistocene to Holocene Po coastal plain deposits reflect the paleogeographic reorganization during the last glacial-interglacial cycle (120 kyr). Compositional signatures of sand deposits record the effect of sea-level transgression in controlling sediment generation and dispersal paths throughout the Po low-rank sequence development. The transgressive surface, which separates the lowstand from the transgressive system tracts marks a major change in lithic fragment composition that documents a major paleodrainage rearrangement and reflects the abrupt transition from an alluvial to an estuarine depositional system. In contrast, no significant change at the maximum flooding surface is captured in the sand petrographic record. Secondary controls on sand composition include downstream hydrodynamic sorting by size and sedimentary mixing by alongshore currents. Stratigraphic units deposited during specific phases of relative sea-level cycles (e.g., systems tracts) are associated with petrofacies that reflect paleogeographic rearrangement and changes in sediment dispersal paths. Although compositional changes across key boundaries surfaces and within depositional sequences help detecting major paleogeographic changes, the main controls mechanisms that govern changes in relative sea-level cannot always be disentangled when looking at sediment petrography alone. In particular, the superposition of multiple forcing mechanisms (e.g., tectonic vs. volcanic activity and tectonism vs. eustatic fluctuations) makes the interpretation of detrital modes very challenging. The analysis of compositional trends within the Po and Tevere sedimentary successions show that when key boundaries surfaces are not associated with major compositional changes (e.g. variability across low-rank sequences) it is very difficult to disentangle the superposed effects of intrinsic and local factors that add to the time-dependent forcing mechanism. The stacking pattern of low-rank and high-frequency late Quaternary sequences record short-term eustatic cyclicity and results in a vertical succession of facies which in turn controls the compositional trends of the deposits.

L'uso di procedure petrografiche per caratterizzare le variazioni composizionali all'interno di successioni sedimentarie e in corrispondenza di discontinuità stratigrafiche è stato applicato con successo in diversi studi di provenienza. Tuttavia, l’analisi delle variazioni composizionali dei sedimenti come supporto all'interpretazione stratigrafico-sequenziale di una successione sedimentaria è ancora in una fase iniziale e richiede ulteriori casi di studio per verificarne l'efficacia. La composizione e la tessitura dei sedimenti sono controllate dagli stessi fattori allogenici (ad es. fluttuazioni eustatiche, climatiche e tettoniche) e autogenici (ad es. trasporto di sedimenti, selezione idraulica e processi post-deposizionali) che governano l'architettura stratigrafico- sequenziale di una successione sedimentaria. I processi allogenici agiscono su scale temporali prolungate e controllano i tassi di apporto sedimentario, la composizione di sedimenti, la fisiografia del bacino e lo spazio di accodamento. I processi autogenici si verificano su scale temporali più brevi ma possono avere una notevole influenza sulle variazioni locali dell'apporto sedimentario che si riflettono in variazioni composizionali con basso potenziale di correlazione all’interno del bacino sedimentario. Questo lavoro indaga sulle modificazioni composizionali dei sedimenti all'interno dei systems tracts di sequenze deposizionali sviluppate in depositi terrigeni continentali e marini al fine di investigare gli effetti delle forzanti autogeniche e allogeniche sulla distribuzione e sulla composizione del sedimento. A tale scopo, è stata esaminata la variabilità composizionale, sia delle sabbie attuali nei sistemi fluviali del Tevere e del Po, sia dei loro depositi tardo-pleistocenici e olocenici per i quali è ben conosciuta l’architettura stratigrafico-sequenziale. Nel caso del Tevere sono stati anche esaminate i depositi delle unità più antiche le quali, complessivamente, definiscono quella che in letteratura è conosciuta come Sequenza Deposizionale di Ponte Galeria. I trend composizionali più evidenti si registrano nei passaggi tra i system tracts delle sequenze di alto e basso rango; essi riflettono cambiamenti di provenienza in risposta a cambiamenti relativi del livello del mare regolate per lo più da forzanti allogeniche. L’analisi delle variazioni petrografiche con più basso potenziale di correlazione all’interno di questi bacini sedimentario riflettono, al contrario, processi sedimentari locali che operano nei diversi ambienti deposizionali e la loro interpretazione è resa possibile dal confronto con le mode detritiche dei sistemi attuali. La successione Medio Pleistocenica-Olocenica nel Bacino Romano rappresenta il prodotto di una stretta interazione tra tettonica, attività vulcanica, e fluttuazioni glacio-eustatiche. Tale interazione si riflette in un modello stratificato complesso in cui vengono sviluppate sequenze deposizionali di alto (durata circa 1 milione di anni) e di basso rango (con durata da 30 a 120 ky), e dove vengono registrati cambiamenti qualitativi e quantitativi nella composizione dei sedimenti. L'evoluzione tettonica e vulcanica Pleistocenica del bacino idrografico del fiume Tevere ha svolto un ruolo importante nel controllare la riorganizzazione idrografica e la provenienza dei sedimenti, che a sua volta si riflette nella composizione degli stessi. Questi processi si sono sommati alle fluttuazioni glacio-eustatiche del livello del mare e insieme hanno controllato l’architettura stratigrafica e la composizione delle sabbie nella sequenza deposizionale di alto rango di Ponte Galeria. Nel sistema attuale del fiume Tevere, i trend composizionali delle sabbie registrano l’interazione tra cambiamenti di provenienza, attività antropica e gli effetti dei fattori autogenici locali negli ambienti deposizionali continentali e marini. Le petrofacies sono controllate da processi fisici (es. abrasione meccanica durante trasporto eolico, selezione idraulica e frazionamento idrodinamico per granulometria) e di mixing sedimentario all'interno di ciascun ambiente deposizionale. Le variazioni di provenienza nei depositi del Pleistocene Superiore-Olocene del bacino del Po rispecchiano la riorganizzazione paleogeografica dell’area durante l'ultimo ciclo glaciale- interglaciale (120 kyr) e, più in particolare durante la risalita olocenica del livello marino. In particolare, la superficie di trasgressione che separa il lowstand dal transgressive system tracts della sequenza di basso rango del Po registra un grande cambiamento nella composizione dei frammenti litici che riflettono una variazione nella direzione di dispersione di sedimenti durante la transizione da un sistema deposizionale da alluvionale a estuario. Al contrario, nessun cambiamento significativo viene registrato al di sopra della superficie di massima ingressione marina (maximum flooding surface) dal momento che non si registrano particolari cambiamenti di provenienza. I controlli secondari sulla composizione della sabbia includono la selezione idrodinamica per granulometria e il mixing sedimentario lungo la costa. Sebbene le unità stratigrafiche deposte durante specifiche fasi di cicli relativi del livello del mare (e.g., systems tracts) sono spesso associate a petrofacies che riflettono cambiamenti paleogeografici e di provenienza dei sedimenti, i principali meccanismi di controllo autogenici e allogenici non sempre possono essere discriminati con la sola petrografia del sedimentario. In particolare, la sovrapposizione di molteplici forzanti (es., attività tettonica e vulcanica e attività tettonica e fluttuazioni eustatiche) rendono l'interpretazione delle mode detritiche molto complessa. L'analisi dei trend composizionali all'interno delle successioni sedimentarie del Po e del Tevere mostra che, quando le superfici di discontinuità stratigrafica non sono associate a grandi cambiamenti composizionali (ad es. variabilità composizionale tra sequenze di basso rango), gli effetti dei fattori autogenici locali e di quelli allogenici possono risultare difficili da essere distinti. Le sequenze tardo Quaternarie di basso rango registrano, infatti, variazioni eustatiche ad alta- frequenza che producono una elevata variabilità di facies che si traduce in variazioni composizionali con basso potenziale di correlazione e controllate dai processi che agiscono all’interno degli ambienti deposizionali.