l`astenosfera
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la teoria della tettonica a placche crosta terrestre in evoluzione Nel XX° secolo si è compreso che la crosta terrestre non è statica, ma soggetta a fenomeni dinamici di origine endogena. isostasia isostasia Il principio di Archimede afferma che: “Un corpo, immerso in un fluido, riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del fluido spostato” litosfera e astenosfera L’ astenosfera (parte del mantello) si comporta come un fluido ad elevata densità (in modo “plastico”), nonostante abbia una composizione rigida. La litosfera galleggia sulla astenosfera grazie alla minore densità dei materiali di cui è costituita (2,7 g/cm3 circa la crosta continentale, circa 3,3 cm3 quella del mantello superiore). isostasia ed aggiustamenti isostatici I diversi blocchi crostali continentali quindi, sprofondano nel mantello e ne ricevono una spinta verso l’alto che ne compensa il peso. Alfred Wegener (1880-1930) Wegener (left) and Villumsen (right) in Greenland; November 1, 1930 teoria della deriva dei continenti Ipotizzata da Wegener nel 1915 nel libro Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. La teoria come formulata da Wagener affermava che circa 200 milioni di anni fa tutti i continenti erano riuniti in un solo grande continente, la Pangea, circondato dal mare Panthalassa. Circa 180 milioni di anni fa la Pangea cominciò a smembrarsi. Il primo Rift di questi ha separato l’America settentrionale dall’Africa. Espandimenti basaltici attualmente osservabili sul bordo orientale del NordAmerica mostrano una età radiometrica tra i 200 ed 165 Ma. Il secondo rift assume una forma a “Y” e separa l’America meridionale dall’Africa ad occidente e l’Africa dall’AustraliaAntartide ad oriente. La separazione dell’America meridionale dall’Africa si ha circa 135 milioni di anni fa. Circa 65 milioni di anni fa un nuovo rift inizia la separazione del Madagascar dall’Africa meridionale. In questo periodo l’Atlantico appare come un bacino completamente circondato da dorsali in espansione. L’attuale configurazione del nostro pianeta, vede l’India che ha completato la sua migrazione fino a collidere con l’Asia dando origine alla più alta catena montuosa del nostro pianeta. La separazione della Groenlandia dall’Eurasia è un evento geologicamente recente. Una proiezione nel futuro degli attuali movimenti tra le placche prevede, tra i diversi cambiamenti dalla configurazione attuale, che: a) in Africa si sviluppa un nuovo oceano; b) in America settentrionale la porzione meridionale della California si stacca dal resto continente, c) il mare Mediterraneo scompare (entro poche decine di milioni di anni) causa scontro tra placca euroasiatica ed africana. L’Amasia è un possibile supercontinente del futuro, che potrà formarsi probabilmente fra 250 milioni di anni, circondato dall’oceano Atlantico. . Secondo altre previsioni ai potrebbe tra 250 milioni di anni formare un supercontinente, la Pangea Ultima, circondato dall’oceano Pacifico. La Pangea non sarebbe stato il primo supercontinente.Gli studi relativi alla tettonica a placche permettono di ricostruire, tra i 750 milioni ed un miliardo di anni fa, l’esistenza del supercontinente Rodinia. Alcuni geologi ipotizzano l’esistenza di un supercontinente precedente alla Rodinia, da nome Columbia o Nuna o Hudsonland, antico 1,5 miliardi di anni. le prove della teoria della deriva dei continenti Wegener presentò, come prove a favore della sua teoria, alcune osservazioni: - la corrispondenza geomorfologica tra le coste. - diverse prove paleontologiche (ad esempio Mesosaurus, rettile vissuto circa 250 milioni di anni fa sia in Africa che in Sudamerica, privo di strutture che potessero permettere la capacità natatoria). - la continuità geologica di strutture rocciose africane e sudamericane, nonché osservazioni paleoclimatiche. i cratoni sono le parti più rigide, antiche e stabili della crosta continentale, aree geologiche che per centinaia di milioni di anni non ha subito grandi modificazioni geologiche. Ma il nodo fondamentale, rimasto sempre senza risposta, fu l’individuazione del motore dello spostamento e, proprio su questo Wagener fu fortemente criticato dall’ambiente scientifico legato alla Geologia. Wagener morì nel 1930 senza essere riuscito a dimostrare in modo definitivo la fondatezza della sua ipotesi. i fondali oceanici Negli anni ’30 si scoprì sui fondali dell’Atlantico, attraverso una serie di rilievi sottomarini (scandaglio), la dorsale medio– atlantica, (che alcuni vollero identificare con l’antico continente scomparso di Atlantide). I vulcani che la formano in alcuni punti giungono a superare il livello del mare formando isole come Sant’Elena, le Isole di Capo Verde, le Azzorre, l’Islanda. Negli anni ’50-’60, con l’aiuto del sonar (ecoscandaglio), si scoprì che tali strutture erano presenti sui fondali di tutti gli oceani. Ancora negli anni ’50 si scoprì che le dorsali sono interessate da intensi fenomeni sismici e vulcanici e da intense anomalie gravitazionali e termiche. Camini idrotermali L’acqua del mare penetra nelle fratture della dorsale e, riscaldandosi per effetto del suo avvicinamento allo strato di magma, si espande e sale rapidamente. Carica di minerali disciolti dalla rocce circostanti, sgorga dal fondo sotto forma di geysers fumanti. Spirografi sottomarini con pesce blennius Le bocche degli abissi della Dorsale Medio Atlantica dell'Oceano Atlantico ospitano molteplici forme di vita. Tali comunità prosperano nei luoghi in cui l’acqua surriscaldata sgorga dalle sorgenti profonde dei fondali oceanici Archeobacteria termofili L’acqua surriscaldata nei camini vulcanici delle dorsali può raggiungere temperature che arrivano fino a 404° C. All’inizio degli anni sessanta si osservò che i sedimenti sui fondali oceanici hanno spessore minimo vicino alla dorsale, e invece molto più consistente lontano da questa. La deduzione fu che la crosta vicina alla dorsale era più giovane, avendo raccolto meno sedimento, di quella lontana da essa. Sulle rocce dei fondali oceanici si osservarono inoltre strane anomalie magnetiche: il basalto della crosta oceanica presenta bande di inversione di polarità magnetica; un po’ come se periodicamente il Polo Nord migrasse al Polo Sud e poi tornare nella sua posizione. dorsali oceaniche Un sistema di rilievi che attraversa gli oceani, per una lunghezza totale di 70.000 km. Le creste delle dorsali presentano un avvallamento centrale, la rift valley, largo poche decine di km e profondo anche 2 km. Le pareti del rift presentano delle faglie, da cui fuoriescono lave femiche. La dorsale non è una struttura continua, presenta inoltre delle faglie trasformi, perpendicolari ai rift, che scorrono tra loro, in modo reciproco. faglie trasformi pianure abissali Regioni pianeggianti estese, coperte da sedimenti, situate tra i 4.000 e i 6.000 metri di profondità. pianura abissale fosse oceaniche Profonde depressioni, lunghe migliaia di km, strette, profonde anche più di 6 km. Le grandi fosse sono circa una ventina. La presenza delle fosse è correlata alla presenza, a breve distanza, di archi vulcanici. La struttura prende il nome di sistema arco-fossa. sistema arco–fossa La fossa delle Marianne è la fossa oceanica conosciuta come la più profonda al mondo. La fossa è delimitata dall'incontro di due placche tettoniche, in una zona di subduzione, dove la placca del Pacifico si insinua sotto la placca delle Filippine. Il punto più profondo si trova a 10.994 metri sotto il livello del mare. https://www.youtube.com/watch?v=HH8qSBiIgGA teoria dell’espansione dei fondali oceanici Hess nel 1961 enunciò la teoria dell’espansione dei fondali oceanici: “…. nuova crosta basaltica si formerebbe in corrispondenza dell’asse delle dorsali medio oceaniche a causa dell’allontanamento progressivo dei due lati di questa….” paleomagnetismo Le inversioni di polarità del campo magnetico del nostro pianeta sono documentate dallo stato di magnetizzazione assunto dalle rocce basaltiche dei fondali oceanici (bande a magnetizzazione normale/inversa speculari rispetto alle dorsali oceaniche). Acquisizione di una magnetizzazione detritica rimanente (DRM) da parte di un sedimento. Dalla decantazione dei granuli alla compattazione del sedimento l’orientazione dei clasti magnetici (neri, con freccia) è guidata dal campo magnetico terrestre. Negli anni 1967-68 l’imponente sforzo di ricerca dette i suoi frutti generando un modello che tendeva a rappresentare l’attività del nostro pianeta come un tutt’uno: terremoti, vulcani, formazione delle montagne, isole vulcaniche e altre strutture secondarie non erano altro che la conseguenza di un’unica causa connessa con il movimento relativo di tratti di crosta terrestre. La teoria venne definita “tettonica a placche” (dal greco tekton = carpentiere, costruttore),con riferimento alle porzioni di litosfera (placche) in cui era stata divisa la crosta terrestre. Questa teoria può, a ragione, essere considerata una rivoluzione nelle scienze della Terra, proprio perché offre una visione nuova, unitaria e completa dell’evoluzione della superficie del pianeta. Teoria della tettonica a placche (o zolle) La superficie terrestre è costituita da una serie di grosse placche (o zolle). Queste sono in continuo movimento, probabilmente determinato da correnti convettive al di sotto delle placche. Il motore delle celle di convezione è il calore endogeno del pianeta. I limiti di placca sono sede di importanti fenomeni geologici: terremoti, orogenesi, vulcanesimo. Le placche di più grandi dimensioni contengono crosta oceanica e continentale, con la sola eccezione della placca pacifica, costituita esclusivamente di crosta oceanica. margini Ciascuna placca è limitata da margini. Si osservano tre tipi di margine: Margini divergenti costruttivi Margini convergenti distruttivi Margini conservativi margini divergenti costruttivi I margini divergenti o costruttivi: coincidono con le dorsali oceaniche e i rift continentali (aree di distensione) dove vi è una continua produzione di crosta, mentre la porzione già formata tende ad allontanarsi. Intensa attività vulcanica, debole attività sismica. margini convergenti distruttivi I margini convergenti o distruttivi coincidono con le i sistemi arco-fossa dove la crosta più vecchia sprofonda e viene distrutta (zone di subduzione) o con le catene montuose recenti (ove osserviamo orogenesi). Intensa attività vulcanica, intensa attività sismica. margini conservativi I margini conservativi lungo i quali le zolle adiacenti semplicemente scivolano l’una accanto all’altra generando faglie trasformi analoghe a quelle che si formano sulle dorsali. Forte attività sismica. listosfera La litosfera venne divisa in una ventina di zolle, cioè di frammenti di crosta fra loro indipendenti, generalmente molto estese ma poco spesse, in cui solo i margini sono attivi mentre la parte centrale non è interessata se non eccezionalmente da terremoti o attività vulcanica. astenosfera L’idea centrale di tale teoria è che le placche di crosta litosferiche rigide si muovono al di sopra di un mantello più fluido, l’astenosfera. I movimenti dei margini delle placche e le loro conseguenze margini divergenti costruttivi Margini divergenti costruttivi: due placche si allontanano l’una dall’altra. Si osserva una distensione della litosfera e una lacerazione della crosta I magmi primari risalgono lungo le grandi fratture che vengono a crearsi e danno origine ad una intensa attività vulcanica. La lunga linea di vulcani che è caratteristica di questa struttura viene chiamata dorsale oceanica. Anche le rift continentali come la rift valley africana hanno questa origine. Quando il fondo della fossa raggiunge il livello del mare, le acque la invadono e si genera un oceano in espansione. La velocità di formazione di nuova crosta varia da luogo a luogo e nel corso del tempo; ad esempio attualmente si osserva una espansione di 5 cm l’anno per l’oceano Atlantico. Rift Valley africana Margini convergenti distruttivi Quando i margini di due placche si avvicinano si parla di margini convergenti. Gli effetti che ne derivano dipendono dalla natura delle due placche. Possiamo osservare tre diverse situazioni: • collisione litosfera oceanica - oceanica • collisione litosfera oceanica – continentale • collisione litosfera continentale - continentale. collisione litosfera oceanica – continentale La differenza di densità tra le due placche fa sì che sia la placca oceanica vada in subduzione, ovvero ad infossarsi sotto la crosta continentale che, formata da materiali più leggeri, risponde alle spinte dell’altra deformandosi, ripiegandosi ed “accartocciandosi”. Il piano lungo il quale avviene la subduzione si chiama Piano di Benjoff. La crosta oceanica in subduzione, al di sotto di circa 100km, in parte fonde generando magmi secondari. Conseguenze del processo sono: La formazione di una fossa oceanica nel limite tra le due placche. Attività sismica intensa lungo il piano di subduzione. Formazione di un arco vulcanico e orogenesi (formazione di sistemi montuosi) lungo le coste. Prende origine da questo processo, ad esempio, la Cordigliera delle Ande, ove si osservano le consequenze della subduzione della placca di Nazca al di sotto della placca sudamericana. collisione litosfera oceanica- oceanica Una delle due placche va in subduzione al di sotto dell’altra. Anche in questo caso di forma un piano di subduzione, si osservano parziali fusioni che danno origine originando serbatoi magmatici da cui il magma secondario fuoriesce attraverso le numerose fratture che sono presenti nella zona. Hanno così origine isole vulcaniche allineate ad arco (arco vulcanico insulare), come l’arcipelago nipponico e quello filippino. sistemi arco-fossa I sistemi arco – fossa comprendono cinque elementi principali: La fossa, profonda più di 6 Km e pavimentata di crosta oceanica; La zona di subduzione, situata sotto la parete interna della fossa; L’intervallo arco – fossa, raccordo tra la zona di subduzione e arco magmatico; L’arco magmatico vero e proprio L’area retroarco, generalmente occupata da un bacino marginale margini continentali attivi I margini continentali attivi si trovano in prossimità di una linea di subduzione. crosta continentale – crosta continentale La sostanziale corrispondenza di densità tra le due placche interessate al fenomeno fa sì che non ci sia subduzione; i margini delle zolle, che portano grande potenza di materiali leggeri, si sovrappongono e si accavallano l’uno all’altro. Vicino alla dorsale la litosfera oceanica si presenta calda e molto sottile; a parità di spessore le placche che trasportano un continente sono più facilmente deformabili di quelle oceaniche. quando due continenti si scontrano si producono accavallamenti, deformazioni ed un forte ispessimento della crosta, ossia una catena montuosa. Hanno così origine le catene montuose interne ai continenti: l’imponente sistema alpino-himalayano, che inizia dai Pirenei per spegnersi con le sue ultimissime propaggini nella penisola di Kamciatka, attraverso l’arco alpino, i Balcani, i monti della penisola anatolica, i sistemi dell’Hindukush e del Karakorum, la catena himalayana, le sue digitazioni verso l’Asia sud orientale, la Cina propriamente detta, la Cina settentrionale e la Russia nord- orientale, è la manifestazione esterna e non definitiva dello scontro avvenuto tra il blocco euroasiatico e le placche africana e indiana. Margini conservativi Il movimento reciproco delle zolle non vede né subduzione né accavallamento, ma scivolamento, scorrimento laterale, senza che i due blocchi si avvicinino o si allontanino. Il moto di scorrimento può essere dovuto a diversa velocità di movimento delle zolle oppure a movimento opposto lungo il piano di contatto tra i due blocchi, piano che prende il nome di Faglia. Una tra le più famose faglie è quella di S. Andreas, in California, responsabile dei grandi terremoti che periodicamente devastano l’area di San Francisco e le zone vicine, originati dallo “sfregamento” tra la placca del Pacifico e la placca nordamericana. motore della tettonica a placche Le cause del movimento delle placche sono ancora poco chiare e motivo di ricerca e discussione in ambito scientifico. Moti convettivi nel mantello: presenza di celle termiche convettive. Rami ascendenti di celle convettive collocati sotto le dorsali, discendenti in corrispondenza alle zone di subduzione. Secondo altri modelli la forza in grado di muovere le placche sarebbero i pennacchi di magma che provengono dall’interno della Terra e che costituiscono i cosiddetti "punti caldi" (hot spot), che si trovano per esempio in corrispondenza delle Isole Hawaii. hot spot I “punti caldi” indicano fenomeni vulcanici isolati, ovvero non connessi ai margini delle placche. Sono probabilmente generai da pennacchi di materiale caldo che risale dal mantello. Il punto di risalita sembra mantenersi costante, mentre le placche si muovono. 1) Divergent plate boundaries 2) Transform plate boundaries 3) Convergent plate boundaries 4) Plate boundary zones 5) Selected prominent hotspots zone ad attività sismica Su basi morfologiche, geologiche e geofisiche si possono distinguere diversi tipi di zone sismiche: – Il primo è rappresentato dall’asse delle dorsali oceaniche dove si sviluppano terremoti poco profondi; qui si attua l’espansione dei fondi oceanici e le placche si allontanano l’una dall’altra. Faglia di S. Andrea Il secondo tipo di zona sismica è ancora caratterizzato da fenomeni poco profondi, ma dall’assenza di attività vulcanica; ne sono chiari esempi la faglia di S. Andreas in California e la faglia dell’Anatolia nella Turchia settentrionale. Lungo queste fratture si sono evidenziati notevoli spostamenti orizzontali. Il terzo tipo di zona sismica è connesso alle fosse oceaniche ed ai sistemi di archi insulari. In queste zone possono verificarsi terremoti superficiali (fino a 70 Km), intermedi (da 70 a 300 Km) o profondi (da 300 a 700 Km), la cui profondità risulta in relazione diretta con la distanza dalla fossa. La placca discendente definisce un piano detto piano di Benjoff, fortemente attivo dal punto di vista sismico i terremoti si sviluppano a varie profondità lungo tale zona inclinata. La sismicità terrestre definisce quindi un mosaico di placche in costante movimento relativo, delimitate da tre tipi di margini. – Lungo l’asse delle dorsali esse si separano mentre tra l’una e l’altra si genera continuamente nuova crosta oceanica (margini costruttivi o divergenti). – Lungo le grandi fratture oceaniche e le grandi faglie continentali a scorrimento orizzontale, le placche scivolano l’una accanto all’altra mentre le superfici in gioco rimangono immutate (margini conservativi o trasformi). – Nelle zone di subduzione le placche convergono ed una di esse si immerge nel mantello (margini distruttivi o convergenti). zone ad attività vulcanica Quasi tutta l’attività vulcanica, come quella sismica , è limitata ai margini delle placche. hotspots I vulcani non associati ai margini di placca rappresentano meno dell’1% del totale. Sono questi centri vulcanici isolati che vengono chiamati hot spots (punti caldi). Quasi tutti i punti caldi sono zone di vasto sollevamento della crosta e le lave a loro associate sono diverse da quelle che si trovano sia nelle dorsali oceaniche che nelle zone di subduzione. Le lave dei punti caldi sono basaltiche come quelle delle dorsali, ma hanno caratteristiche geochimiche ben distinguibili . Hotspots • Mantle Plumes: circa 10% del flusso di calore all’interno del mantello è prodotto da risalita di diapiri mantellici “plumes” dalla profondità. Le plumes rappresentano centri di produzione di vulcanismo intraplacca spesso associato a formazione di nuovi margini divergenti.
