Tettonica a Zolle
Struttura interna della Terra
• Le velocità sismiche dipendono dalla
composizione del materiale attraversato e
dalla pressione a cui è sottoposto.
• Possiamo dunque usare il comportamento
delle onde sismiche per ricavare
informazioni sulla struttura interna della
Terra…
• ..poichè quando le onde si propagano da
un materiale a un altro, cambiano velocità
e direzione.
Compositional Layers
The Earth is a sphere of radius 6371km which is stratified or layered. Compositional layers differ in chemical composition. The Earth has three
compositional layers:
The crust: low density silicate rock, 5-70 km thick. There are two distinct types of crust.
Continental crust & Oceanic crust
The mantle: high density, ultramafic silicate rock which can flow when subjected to long duration stresses. The mantle is over 2900 km thick
and makes up over 80% of the volume of the Earth. The mantle is not molten!
The core: iron and nickel, liquid outer region with a solid center. The core is just over half the diameter of the Earth.
These compositional layers have sharp or abrupt boundaries between them.
Mechanical Layers
The Earth has five mechanic layers (rigidity):
The lithosphere is the outermost mechanical layer and is the most rigid layer of the Earth. The lithosphere consists of the crust, and some of
the uppermost mantle. The lithosphere averages about 100 km thick. It is somewhat thicker beneath continents, and dramatically thinner under
mid-ocean ridges.
The asthenosphere lies beneath the lithosphere. It is a part of the mantle, approximately 100 km thick, with very little strength. The
asthenosphere flows relatively easily and accomodates the movement of the overlying lithosphere. The upper and lower boundaries of the
asthenosphere are diffuse as they involve gradual changes in the rigidity of the mantle, not a change in composition.
The lower mantle or mesosphere consists of most of the mantle. This part of the mantle flows, but at much slower rates than the
asthenosphere.
The outer core is liquid iron (with some nickel and other elements). This is the only internal layer of the Earth that is a true liquid. The coremantle boundary is the one mechanical boundary that is also a compositional boundary. Movement of the electically conductive fluid in the
outer core generates the Earth's magnetic field.
The inner core is solid. It has the same composition as the outer core, and is about half the diameter of the core.
http://www.trinity.edu/
Profondità Moho e spessore crosta (km)
Lithosphere&Astenosphere
660 km discontinuity:
transition from Spinel to
Perovskite +
Magnesiowüstite in the
olivine component and
the transformation of
Garnet to Perovskite
Isostasy: gravitational equilibrium of rigid Lithosphere in plastic Mantle
Pa
Pa
Pa
Isostasia in litosfera continentale e oceanica: profondità di compensazione
Variazione della profondità di compensazione: erosione e uplift
Variazione della profondità di compensazione: carico e subsidenza
Mantello caratterizzato da peridotiti;
densità media del mantello 3.3-5.5 g /cm3
CMT
Gubbins 2008
The interaction between an initial magnetic field and the electrically conducting ironnickel alloy arranged in helical columns in the outer core can produce positive
feedback and allow the Earth’s core to operate as a self exciting
magnetohydrodynamic dynamo. An interaction between the initial magnetic field
and the helical conductor takes place and provides reinforcement of the original
magnetic field. In the model, this interaction is the Lorenz force with the coil acting
as a positive feedback (self-exciting) circuit.
A snapshot of the region (yellow) where the fluid flow is the greatest.
The core-mantle boundary is the green mesh; the inner core boundary
is the red mesh. Large zonal flows (eastward near the inner core and
westward near the mantle) exist on an imaginary "tangent cylinder"
Tettonica a Zolle
Il concetto unificante
• La litosfera terrestre è suddivisa in
~20 zolle (o placche) di spessore di
~100 km che si muovono le une
relativamente alle altre
• Questi movimenti causano terremoti
e attività vulcanica, e sono
responsabili della costruzione di
catene montuose
Storia della Teoria
della Tettonica a Zolle
articolo di Irving 2005,
scaricabile su
nostro sito internet
Deriva dei Continenti e
Tettonica a Zolle
la DC fu suggerita da Wegener nei
primi del novecento su evidenze
geologiche e paleontologiche, ma non
fu accettata
La TZ rappresenta il completamento
della DC. Fu inizialmente rifiutata per
poi essere pienamente accettata in
seguito all’integrazione di evidenze
geofisiche alla fine degli anni ‘50 inizio ‘60.
Deriva dei Continenti
L’idea che movimenti orizzontali su
larga scala dei continenti siano
responsabili delle grandi morfologie
superficiali come catene montuose
e bacini oceanici.
Proposta da Alfred Wegner nel
1912-1929.
Incastro geografico
dei continenti…
…una delle prove
della Deriva dei
Continenti
di Wegener
I continenti erano riuniti nel
supercontinente Pangea
Similitudini geologiche e paleontologiche
dei continenti. Distribuzione delle calotte
glaciali paleozoiche
La teoria della deriva dei continenti di Wegener non venne
accolta dalla comunità scientifica perchè violava quello che era
noto sulla struttura interna della Terra e la rigidità delle rocce;
inoltre, non proponeva un meccanismo valido che spiegasse il
movimento dei continenti. Qualcuno la definì German
pseudosience.
Alla fine degli anni ‘50, la Teoria fu provata da
dati di Paleomagnetismo. Osservato su scala
millenaria, il campo magnetico è assimilabile a
quello generato da un dipolo assiale centrato
(modello GAD)
Esistono in natura minerali magnetici (e.g. magnetite)
che si orientano secondo le linee di forza del campo
magnetico inducente…
La conformazione GAD del campo magnetico terrestre
prevede una relazione semplice tra latitudine di un punto sulla Terra e
inclinazione delle rocce magnetizzate dal GAD all’atto della loro formazione.
Quindi misurando l’inclinazione del vettore magnetizzazione naturale di una
roccia, possiamo risalire alla latitudine alla quale le roccia si è formata.
tanI = 2tanλ
Ove I è l’inclinazione del vettore
magnetizzazione naturale di una
roccia e λ la latitudine di
formazione
Negli anni ‘50 si osservò che rocce antiche si formarono (cioè
furono magnetizzate) a latitudini diverse da quelle attuali.
L’interpretazione fu che i continenti si spostarono nel corso delle
ere geologiche. Questa scoperta confermò la Deriva dei
Continenti di Wegener e segnò la nascita della Teoria della
Tettonica a Zolle
Esempio di cambiamento
di latitudini con il tempo:
Il Giurassico del Bacino
Lombardo.
(Muttoni et al., 2005)
The motion of plates
Una prova ulteriore (e decisiva) della Deriva dei
Continenti venne dai fondali oceanici (anni ‘60)
Espansione dei
fondali oceanici e
anomalie
magnetiche dei
fondali oceanici
Nel 1962, Harry Hess nel suo lavoro “History of Ocean
Basins," propose che le dorsali medio oceaniche marcano
regioni dove avviene la risalita di magma in superficie.
Egli suggerì inoltre che questa estrusione di magma
spingesse lateralmente il fondale oceanico sui due lati
della dorsale. La teoria di Hesse dell’espansione
dei fondali oceanici offriva il meccanismo di movimento
mancante alla teoria della deriva dei continenti di Wegener.
Durante la seconda guerra mondiale, la US Navy impiegò
magnetometri allo scopo di localizzare gli U-Boot tedeschi.
Venne scoperto, e pubblicato nel 1962, che la crosta
oceanica dell’Atlantico è magnetizzata In bande di ampiezza
variabile disposte parallelamente alla dorsale medio
atlantica e organizzate in pattern simmetrici alla dorsale
stessa.
Anomalie magnetiche dei fondali oceanici
L’interpretazione delle anomalie magnetiche dei fondali
oceanici venne ancora una volta dal paleomagnetismo…
Il campo geomagnetico si è invertito nel corso
delle ere geologiche un numero considerevole
di volte e in maniera aperiodica.
Polarità normale:
Linee di forza del campo
verticali e entranti (+90°)
al polo nord geografico
Polarità inversa:
Linee di forza del campo
verticali e uscenti (-90°)
al polo nord geografico
Le inversioni del campo magnetico
terrestre degli ultimi 5 Ma. (La sequenza
delle inversioni è più o meno nota fino a
circa 300 Ma)
Conoscendo il fenomeno delle inversioni del campo magnetico
terrestre, Vine e Matthews (1963) proposero un’interpretazione
delle anomalie magnetiche dei fondali oceanici utilizzando la
teoria sell’espansione dei fondali oceanici di Hesse:
basalti estrusi in corrispondenza delle
dorsali medio oceaniche si
magnetizzano secondo il campo
magnetico inducente. Basalti
estrusi durante periodi a
polarità del campo magnetico
normale generano anomalie
magnetiche positive,
mentre quelli estrusi durante
polarità inversa generano
anomalie magnetiche
negative.
Il basalto si mette in posto lungo la dorsale medio oceanica; si
raffredda e si magnetizza secondo il campo magnetico terrestre,
che ammettiamo a polarità normale al tempo del
raffreddamento. In seguito, una nuova fase di messa in posto di
basalto spinge lateralmente le litosfere oceaniche ai lati
dell’asse di espansione (cioè “si fa spazio”).
Anche il basalto di
questa nuova generazione
si magnetizza secondo il
campo magnetico terrestre,
che ammettiamo a polarità
inversa al tempo del
raffreddamento (cioè nel
frattempo il campo si è
invertito).
Il processo protratto nel tempo crea una serie di bande di crosta
oceanica magnetizzate a polarità normale o inversa. L’interazione
del campo magnetico attuale, a polarità normale, con le bande
magnetiche crostali magnetizzate a polarità normale o inversa
crea anomalie positive o negative, rispettivamente (cioè: campo
magnetico attuale normale+magnetizzazione normale=anomalia
positiva; campo magnetico attuale normale+magnetizzazione
inversa=anomalia negativa).
http://www.geolsoc.org.uk/Plate-Tectonics/Chap3-Plate-Margins
Età delle anomalie magnetiche
Non esiste litosfera oceanica più vecchia di ~180 Ma
Ofioliti: crosta oceanica obdotta
E incorporata nelle caten
e collisionali. Testimonianze
di oceani scomparsi.
Tettonica a Zolle
• Litosfera: la parte
rigida superficiale
della Terra, spessa ~
100 km. Le zolle
sono litosferiche.
• Astenosfera: la parte
fluida del mantello
sottostante la
litosfera.
• Le zolle litosferiche
“scivolano”
sull’astenosfera.
Un mosaico di ~20 zolle in movimento
Velocità di movimento delle zolle
L’asse di espansione a velocità più alta attualmente è l’East
Pacific Rise tra zolla di Nazca e zolla Pacifica con punte di
~5 cm/anno (come la crescita media dei capelli!)
Tre tipi di limiti di placca
Trasforme
Divergente
Convergente
Limite di placca divergente; stadio di rift
continentale - Afar e Rift Valley est africana
http://www.geolsoc.org.uk/Plate-Tectonics/Chap3-Plate-Margins
L’espansione oceanica separa i continenti; il margine di zolla
divergente passa da stadio di rift continentale a stadio di
espansione oceanica con l’impostarsi di un asse di dorsale
medio oceanica
Dorsali medio oceaniche
crosta oceanica
Partial fusion of lherzolite and extraction of the melt
fraction can leave a solid residue of harzburgite
Margini divergenti: meccanismi focali distensivi; Ipocentri a
bassa profondità (pochi km); di solito bassa magnitudo.
Limite di placca convergente
Tre tipi di margini convergenti:
oceano–continente
Ande
oceano–oceano
Giappone
continente–continente Himalaya
Densità relative in gioco:
Crosta continentale ≈ 2.8 g/cm3
Crosta oceanica ≈ 3.2 g/cm3
Oceano-Continente
(e.g., Ande) http://www.geolsoc.org.uk/Plate-Tectonics/Chap3-Plate-Margins
Oceano-Oceano
(e.g., Giappone)
Nomenclature and subdivisions of active margins
Terremoti e Tettonica a Zolle
Margini convergenti: meccanismi focali compressivi;
Ipocentri a tutte le profondità fino a +500 km; spesso alta
magnitudo.
Diagramma TAS (Total Alkali/Silica)
I magmi primitivi (poveri di Si) a sinistra; magmi più evoluti a destra
Alcalina
di arco
Calc-alcalina
« andina »
Processi magmatici ai margini convergenti. La crosta oceanica in subduzione rilascia
acqua a ~ 50 km di profondità per disidratazione-decomposizione di clorite, fengite e altri
fillosilicati. A profondità maggiori (~75 km) avviene la disidratazione dell’anfibolo. La
phlogopite disidrata a 200 km di profondità e la serpentinite (peridotite con fillosilicati
idrati) disidrata lungo l’intero sviluppo da pochi km a 200 km di profondità. Ad alte
profondità la crosta diventa eclogite anidra. L’acqua trasferita dalla crosta oceanica al
mantello della zolla superiore causa fusione parziale e produzione di magma.
Limite di placca trasforme (e.g., San Andreas)
http://www.geolsoc.org.uk/Plate-Tectonics/Chap3-Plate-Margins
Evoluzione del limite trasforme San Andreas tra zolla
pacifica e zolla nordamericana
Margine trasforme - Faglia di San Adreas
Faglia di San Andreas, linea nera spessa; faglie associate, linee in
nero sottile. Pattern complesso; limite di placca trasforme diffuso.
Terremoti lungo la Faglia di San Andreas
Tratti della faglia bloccati
per lungo tempo, cioè
senza creeping
(scorrimento continuo) e
rilascio continuo di stress.
Rilascio istantaneo dello
stress accumulato in
terremoti di grande
magnitudo.
San Francisco 1906:
La sezione bloccata si
mosse di 6m lungo 430km
di faglia; 60 secondi di
scuotimento superficiale.
Creeping e gaps simici (faglie bloccate).
Loma Prieta 1989
a)
c)
Cluster di ipocentri; creeping, rilascio continuo di
stress; basso rischio di eventi ad alta magnitudo.
Il terremoto di Loma Prieta 1989 di M = 6.9 e le
associate scosse di assesatmento riempirono un
gap sismico in una zona di faglia bloccata.
Esistono gap sismici poco a sud di San Francisco
Creeping e gaps simici (faglie bloccate).
In attesa del big one
Previsioni magnitudo e probabilità eventi fino al 2030
How plates move: Hess
model of 'ridge-push' and
'slab pull’
This hypothesis suggests the
convection currents in the
earth’s mantle will create new
oceanic crust at divergent
current boundaries (RidgePush) and destroy and
partially recycle crustal mass
by subduction at convergent
current
boundaries.
http://www.tectonicforces.org
How plates move: Hess model of 'ridge-push' and 'slab pull’
This hypothesis suggests the convection currents in the earth’s mantle will
create new oceanic crust at divergent current boundaries (Ridge- Push) and
destroy and partially recycle crustal mass by subduction at convergent current
boundaries. Figure below shows the Hess model in diagrammatic form. The
downward movement (subduction) of the colder and denser lithosphere into the
asthenosphere, which is referred to as the ‘Slab Pull’ force, is described as
being the major force responsible for the creation of the trenches and the
orogenic and volcanic activity on the uplifted plate.
http://www.tectonic-forces.org
Geologia d’Italia con enfasi al sudalpino lombardo
The opening of the Liguran Ocean
The closing of the Ligurian Ocean
Le Alpi. Subduzione di litosfera oceanica del Ligure-Piemontese
sotto litosfera continentale di Adria-Africa, seguita da collisione
Adria-Europa e impilamento tettonico verso NW di falde africane su
oceaniche, su
europee, il tutto
su europa stabile.
Le Alpi
Le Alpi
The rapid southeast advance of the Calabrian Arc, with subduction ahead and
extension behind, is believed to be driven by rollback -- the retreat of the subduction
zone due to the sinking of the old Mesozoic seafloor of the Ionian Sea. In panel one, we
see the geometry about 15 million years ago. Calabria is attached to Sardinia and an old
deep ocean exists where the Tyrrhenian Sea is today. In the next panel, eastward
rollback of the trench in the process of splitting off Calabria from Sardinia. By 3
million years ago, the advance of Calabria is consuming the old sea floor. From Gvirtzman
et al, Earth and Planetary Science Letters v. 187, 117-130, 2001.
http://www.earth.columbia.edu/
Gli Appennini settentrionali
http://georcit.blogspot.it
Gli Appennini meridionali
Bianchini et al, Lithos 101, 2008
Orogenic magmas include Tuscan lamproites, High-K calcalkaline, potassic (KS) and ultrapotassic
(HKS) volcanics of the Roman Magmatic Province (RMP-s.l.), as well as kamafugites and Vulture
(VU) alkaline products of the Intra-Apennines Volcanism (IAV). Anorogenic magmas include
tholeiitic to nephelinitic lavas from the Veneto Volcanic Province (VVP), Mt. Queglia (QU) alkaline
lamprophyres and Pietre Nere (PN) Na-alkaline rocks.
Geodynamic cartoon depicting the configuration of the Ionian oceanic slab plunging
beneath the Apennines/Calabrian peri-Tyrrhenian belt.
Bianchini et al, Lithos 101, 2008
http://
earthseismology.
blogspot.it
http://
sgi.isprambiente.it/
geoportal/catalog/main/
home.page
http://www.apat.gov.it/
media/
carta_geologica_italia/
default.htm
