Circolazione idrotermale del fondo

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.
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
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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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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.
Il riconoscimento dell'estensione della circolazione idrotermale negli anni
'70 ebbe una profonda influenza sulle idee riguardanti la circolazione, l'apporto e la
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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
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.
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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
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
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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.
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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.
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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.
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