EMISSIONI IDROTERMALI SOTTOMARINE
La scoperta delle sorgenti calde sul fondo dell'oceano durante gli anni '70 è stata
uno degli eventi più entusiasmanti della storia dell'oceanografia.
Le più spettacolari sono le fumarole nere (BLACK SMOKERS) per le quali
l'acqua fuoriesce dagli orifizi sul fondo marino a temperature di 350°C e più, formando
una densa nuvola di "fumo" nero, costituito da minute particelle di solfuri metallici.
A temperature di emissione più basse (30-300°C), il "fumo" è costituito da
particelle bianche di solfato di bario, da cui il nome di fumarole bianche (WHITE
SMOKERS).
Meno spettacolari ma altrettanto importanti sono le emissioni di acque calde
(WARM-WATER VENTS) con acqua a temperatura di 10-20°C che emergono in un
contesto di acque circostanti con temperature di 2-3°C.
Queste sorgenti di acqua calda sostengono ecosistemi particolari, nei quali la
produzione primaria nella catena trofica locale non dipende dalla fotosintesi ma dalla
chemosintesi batterica.
Nelle aree di formazione di nuova crosta oceanica si avviano processi
idrotermali, perche l'acqua di mare, con moti convettivi, circola entro le rocce ignee
calde di nuova formazione. Si ritiene che il fenomeno sia molto esteso e che circa un
terzo dei fondali oceanici sia interessato da questi sistemi di circolazione d'acqua.
Il tasso di circolazione dell'acqua oceanica in questi sistemi è tale che in pochi
milioni di anni tutta l'acqua oceanica può ricircolare attraverso di essi, diventando così il
punto di maggior scambio degli elementi chimici tra acqua di mare e rocce basaltiche
calde. Di conseguenza la crosta oceanica funziona da tampone della composizione
chimica degli oceani e per alcuni elementi dell'acqua di mare è una fonte più
importante dei fiumi. L'arricchimento di solfuri metallici nei fluidi idrotermali che si
immettono nell'oceano è uno dei principali meccanismi terrestri di formazione dei
minerali.
Prima della loro scoperta, le ipotesi che ne presumevano la presenza lungo le
dorsali oceaniche si basavano sulla presenza sulle terre emerse dei fenomeni
idrotermali. Le sorgenti calde ed i geyser della Groenlandia, situata a cavallo della
Dorsale Medio-Atlantica, facevano presumere presenze analoghe lungo la dorsale.
Inoltre il progressivo incremento di concentrazione di ferro, manganese ed altri
metalli nei sedimenti oceanici di più recente deposizione, via via che ci si avvicinava alle
creste delle dorsali facevano pure presumere la presenza di sorgenti di questo tipo. Altri
studi sulle alterazioni ed il metamorfismo delle rocce basaltiche per reazione con acqua
di mare calda confermavano che grandi volumi di acqua di mare possono penetrare per
più di 5 km nella crosta oceanica e circolarvi dentro ad alte temperature.
Emissioni idrotermali sottomarine e habitats circostanti
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Estensione della circolazione idrotermale
La maggior parte delle fumarole nere e fumarole bianche sono state
trovate lungo i rilievi del Pacifico Orientale e la Barriera delle Galapagos. Fumarole
nere fossili caratterizzate dai lori camini spenti sono state localizzate entro pochi
chilometri dagli assi delle Dorsali del Pacifico Orientale.
Distribuzione globale dei principali siti di emissioni idrotermali
Le colorazioni dei punti indicano siti con comunità animali similari (vedi Link)
Nel 1985 per la prima volta furono osservate fumarole nere lungo la Dorsale
Medio-Atlantica in prossimità del 26°N. Questa scoperta fu seguita da numerose
indicazioni di attività idrotermale, compresi piccoli aumenti della temperatura nell'acqua
di fondo e forti arricchimenti di manganese nell'acqua delle fratture assiali.
Le fumarole nere della Dorsale Medio-Atlantica sono localizzate negli
avvallamenti delle fratture, a profondità di 3800m sotto il livello del mare, molto più in
profondità delle sorgenti del Pacifico, ed i depositi di solfuri intorno le bocche sono
molto più grossi. Dai rilevamenti geomorfologici si è constatato che l'attività idrotermale
deve verificarsi per tutti i 50.000km di lunghezza del sistema assiale, ovunque si formi
una camera magmatica. In tempi geologici la zona assiale è una sorgente permanente
lineare di calore. I campi di sorgenti idrotermali del tipo descritto si trovano a non più di
200m dall'asse della Dorsale e rappresentano le zone di risalita sovrastanti le parti più
calde delle camere magmatiche. Le zone di riflusso si estendono su aree molto più
ampie, comprendendo le parti più fredde degli assi delle Barriere. Sorgenti isolate sono
state osservate in associazione con attività magmatica di montagne marine e si ritiene
che diversi depositi minerali idrotermali si siano formati in questo modo.
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Le principali zolle tettoniche ed il loro movimento attuale (frecce)
Le zone grigie lungo i margini delle zolle indicano compressione e subduzione del
margine, mentre i margini con frecce divergenti sono costruttivi, cioè con fuoriuscita del
materiale magmatico e formazione di rilievi sottomarini
Link su scoperta di zone attive nell’Oceano Artico
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La natura della circolazione idrotermale
I sistemi idrotermali hanno due caratteristiche fondamentali: si verificano in
regioni ad elevato gradiente geotermico, dove le rocce calde sono più vicine alla
superficie, ed hanno un "sistema a piombo" di fratture così che l'acqua fredda può
percolare in giù nella crosta e poi risalire alla superficie come acqua calda. Il movimento
dell'acqua attraverso queste fratture è tale che la percolazione entro la crosta si verifica
su di un'area piuttosto ampia, attraverso i pori e le fratturazioni della roccia , mentre il
flusso di risalita si concentra in un numero limitato di canali, determinando la grande
forza con cui l'acqua fuoriesce da questi .
La differenza principale tra i sistemi idrotermali oceanici e terrestri è che la
crosta oceanica è sovrastata da migliaia di metri di acqua di mare e soggetta ad una
pressione idrostatica elevata. Globalmente, l'attività idrotermale oceanica è più
importante di quella terrestre, si verifica lungo tutta la lunghezza del sistema delle
dorsali oceaniche, per grandi distanze su entrambi i lati e si verifica in continuazione,
poichè continua, su scala geologica, è la formazione di nuova crosta oceanica. Le
temperature sono più alte ed i flussi più grandi che in qualsiasi altro sistema idrotermale
terrestre.
Schema di funzionamento di un black smoker
Il riconoscimento dell'estensione della circolazione idrotermale negli anni '70
ebbe una profonda influenza sulle idee riguardanti la circolazione, l'apporto e la
rimozione degli elementi chimici negli oceani. L'effetto delle reazioni idrotermali
sull'acqua di mare può essere constatato confrontando la composizione dell'acqua di
mare e quella di soluzioni di sorgenti idrotermali. Inoltre alcuni elementi che sono
quantitativamente principali in acqua di mare sono solo costituenti minori o in tracce
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nelle rocce, con la sola notevole eccezione del sodio che è un costituente principale in
entrambe. Il sodio può essere perduto o guadagnato dalle rocce durante la circolazione
idrotermale a seconda delle condizioni che si verificano. In genere il sodio viene perduto
dalle rocce se il rapporto fra massa d'acqua che passa attraverso la roccia ed unità di
massa di roccia è maggiore di 10, il processo si inverte per valori inferiori.
La concentrazione di potassio è molto più alta in alcune soluzioni idrotermali
che non in acqua di mare, ma solo se le temperature superano i 150°C. A temperature
più basse sono le rocce ad assorbire potassio dall'acqua di mare.
La concentrazione del silicio è pure molto più alta nei fluidi idrotermale che
non nell'acqua di mare, raggiungendo la saturazione nelle soluzioni alle temperature ed
alle pressioni del sistema nella crosta.
Quando la temperatura e la pressione diminuiscono col progredire dei fluidi
verso il fondo del mare, spesso si ha la precipitazione della silice in forma di quarzo.
Una parte del solfato viene ridotta a solfuro ed il rimanente precipita col calcio come
anidrite (CaSO4) mentre la soluzione penetra fra le rocce.
Il solfuro si combina con il ferro e con altri metalli per formare solfuri
insolubili, che precipitano in parte all'uscita costruendo i camini, ed in parte fuoriescono
come particelle sospese nei fluidi formando il cosiddetto fumo, quando l'acqua calda
fuoriesce dal fondo del mare. Il magnesio manca completamente dalle soluzioni termali
per scambio fra l'acqua di mare e le rocce. D'altra parte ferro e manganese sono
entrambi solubili nelle soluzioni riducenti acide che si trovano nelle soluzioni idrotermali,
il che spiega il forte incremento delle loro concentrazioni.
Tuttavia le dimensioni dello ione Fe(2+) e la sua carica simili a quelle dello
ione Mg (2+) possono favorire una cocristallizzazione durante i processi che si
verificano durante i processi idrotermali, arricchendo le rocce di ferro. Questo
spiegherebbe il rapporto ferro:manganese fra 50 e 100 nelle rocce basaltiche e solo di
3 nei fluidi idrotermali come pure nei sedimenti delle dorsali oceaniche. Il manganese
sembra andare in soluzione più facilmente del ferro nei fluidi idrotermali, ma sono
parimenti insolubili nelle condizioni ossidanti che si trovano nelle acque e nei sedimenti
di fondo, così rimangono come ossidi che ricoprono la superficie dei fondali.
Link sui processi chimici delle emissioni idrotermali in un sito dell’Oceano Artico
Fumarole bianche, fumarole nere e sorgenti di acqua calda
Si è visto che esistono due tipi estremi di sorgenti idrotermali lungo gli assi
delle dorsali: le fumarole nere, da cui l'acqua emerge a temperature di circa 350°C o
più provocando la precipitazione di particelle minerali che costruiscono un camino sul
foro d'uscita e formano il fumo nero a contatto con l'acqua di fondo, e le sorgenti di
acqua calda nelle quali la temperatura dell'acqua emergente raramente supera i 20°C,
anzi comunemente è inferiore.
Tra i due tipi c'è di fatto una gamma continua di tipi diversi di sorgenti, che
prendono il nome di fumarole bianche con temperature di uscita comprese fra 30 e
300°C. L'acqua che fuoriesce può essere limpida ma più spesso produce dei precipitati
bianchi (da cui il nome) in cui predomina solfato di bario ed una piccola quantità di
solfuri di ferro e di silice.
Esiste una relazione fra i diversi tipi di sorgenti idrotermali ed una loro
evoluzione temporale; in qualsiasi momento una emissione di acqua calda può
trasformarsi in fumarola bianca o nera. La precipitazione di minerali nelle rocce
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circostanti ne riduce la permeabilità ed isola la zona di risalita, cosicchè l'acqua calda
che risale non si può mescolare con l'acqua fredda in prossimità della superficie. I
minerali precipitati nelle rocce includono diverse forme di silice, anidrite, barite, calcite e
solfuri di ferro, rame e zinco, che si accumulano isolando il condotto finchè raggiungono
il fondo del mare e formano poi il camino tipico delle fumarole nere. Una volta che il
flusso viene isolato le acque calde non possono mescolarsi ed emergono ad alta
temperatura, facendo precipitare gli elementi disciolti quando vengono in contatto con
l'acqua di mare.
Sotto i punti di uscita delle sorgenti ci sarà quindi l'accumulo di minerali di
solfuro e di solfato in piccole vene e ammassi che si ramificano nelle rocce, saturandole
via via che si formano col mescolarsi con l'acqua fredda interstiziale. Una sorgente di
acqua calda che permane allo stadio di fumarola bianca senza evolvere a fumarola
nera svilupperà intorno una vasta rete di questi depositi minerali senza tuttavia riuscire
ad impermeabilizzare sufficientemente la roccia e quindi ad isolare completamente il
fluido termale.
Le velocità di emissione variano da 0.02-0.1 m/s per le sorgenti di acqua
calda a 0.5-5 m/s per fumarole bianche e fumarole nere e quindi occorrono da 70 ore
a 15 minuti perchè l'acqua di mare riscaldata percorra circa 5 km di crosta prima di
arrivare sul fondo del mare.
Singoli campi di emissione occupano strisce relativamente corte dell'asse
delle dorsali, probabilmente non più di pochi chilometri. Più condotti di emissione
possono concentrarsi in un'area piuttosto ristretta; per esempio, oltre 12 fumarole nere
sono state osservate lungo una striscia di 800m della dorsale Pacifica Orientale al 21°N,
ma possono anche disporsi ad intervalli irregolari lungo l'asse della dorsale con varie
distanze fra loro.
Tipologia di distribuzione di diverse forme di emissione idrotermale sottomarina
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La vita nei sistemi idrotermali sottomarini
Una delle osservazioni più
sconcertanti fatte sulle sorgenti termali
sottomarine fu la presenza di numerose
forme viventi nelle immediate adiacenze
delle bocche termali (molluschi, granchi,
vermi tubiformi di notevoli dimensioni), il
cui sostentamento non poteva essere
spiegato con i detriti organici provenienti
dalla superficie e derivanti da un
carbonio organicato in superficie,
fotosinteticamente, dal fitoplancton, che
è costituito da organismi autotrofi.
La quantità di sostanza
organica che, non riutilizzata negli strati
superiori, raggiunge le profondità a cui si
trovano gli sbocchi termali è infatti
insufficiente a sostenere le comunità
osservate e soprattutto non spiega
l'addensamento intorno le bocche
termali.
Inoltre
le
acque
che
fuoriescono
contengono
idrogeno
solforato e questo fatto, insieme con
l'assenza di luce, ha indotto a ritenere
che la produzione primaria sia
imperniata sulla chemosintesi. Tutti gli
organismi hanno bisogno di energia, di
elettroni per il trasferimento di energia e
carbonio per la costruzione di sostanze
organiche.
Link sulla vita associata alle emissioni sottomarine nell’Oceano Artico
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Il termine chemosintesi indica che l'energia per la biosintesi (principalmente
la trasformazione del carbonio inorganico in carbonio organico) è fornita da
un'ossidazione chimica. Nel caso delle sorgenti termali la produzione primaria viene
sostenuta da organismi che ossidano l'idrogeno solforato ed altri composti dello zolfo
ossidabili aerobicamente cioè in presenza di ossigeno.
Batteri chemosintetici e la simbiosi con i vermi giganti
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Schema di rete trofica connessa alle emissioni idrotermali sottomarine.
La produzione della sostanza organica è sorretta dai batteri chemotrofici che utilizzano
l’idrogeno solforato (H2S) durante la chemosintesi. Su questa produzione si sviluppa la
rete trofica che comprende sia organismi come i vermi giganti tubiformi, che vivono in
simbiosi coi chemobatteri, sia organismi predatori o detritivori che vivono nelle colonie di
questo tipo (granchi, gamberetti, molluschi, ecc.)
http://www.divediscover.whoi.edu/biology/index.html
http://www.mbari.org/molecular/vents.html
Map showing the global distribution of major hydrothermal
Colored circles show vents with similar animal communities.
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vent
sites.
Immagini dell’Alvin, il primo sommergibile per lo studio oceanografico delle
acque profonde e dei fondali degli oceani.
http://www.divediscover.whoi.edu/tools/index.html
http://www.whoi.edu/marops/vehicles/alvin/index.html
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