La tettonica a placche: movimenti e fenomeni geologici

La lezione sulla tettonica a placche

La tettonica a placche regola la natura e la forma della superficie terrestre, i movimenti che avvengono su di essa ed altri processi fondamentali come il transito di calore dall'interno del pianeta verso l'esterno. E' considerata come la madre di concetti quali la deriva dei continenti e l'espansione dei fondali oceanici. La presenza di catene montuose e di oceani trovano in essa una spiegazione, così come la presenza sul nostro pianeta di eventi intermittenti come i terremoti e le eruzioni vulcaniche.

La separazione in placche della superficie terrestre ha tracciato il destino del pianeta sul quale viviamo disegnando ovviamente anche quello del genere umano. La divisione della litosfera ha modificato la composizione atmosferica e ne ha regolato la temperatura provvedendo a mantenerla costante.

La cosa straordinaria è che la tettonica a placche è un evento dimostrato finora solo sul Pianeta Terra.

Il nostro pianeta appare l'unico in attività rispetto agli altri. La tettonica a placche è possibile grazie a questo motore interno alla Terra in assenza del quale non si sarebbe potuta impostare. Recentemente alcuni scienziati hanno trovato tracce di una passata subduzione su Marte e Venere sebbene queste non siano paragonabili a quelle terrestri Anche tracce di un vulcanismo passato emergono sulla Luna, su Marte e su Mercurio, ma a causa delle loro piccole dimensioni rispetto alla Terra, potrebbero aver subito una repentina perdita di calore che li avrebbe resi inattivi.

Perché ciò avviene solo sul pianeta Terra? Come è iniziata la divisione in placche? La risposta a queste ed altre domande, (es: a quando la fine di questo meccanismo naturale?), sono ancora oggetto di studio da parte della comunità scientifica internazionale. Gli scienziati sostengono che le prime tracce di subduzione sul nostro pianeta risalgono a 4 miliardi di anni fa mentre la tettonica a placche a livello globale sarebbe iniziata tre miliardi di anni fa. Verosimilmente il pianeta Terra perderà nel tempo il proprio calore interno, i movimenti fra le placche tenderanno a diminuire fino ad arrestarsi definitivamente, di conseguenza cesseranno le attività vulcanica e sismica, le montagne smetteranno di crescere dietro la spinta delle placche e il ciclo esogeno terminerà. Fortunatamente siamo ancora lontani da quel momento.

Gli anni della rivoluzione

Dopo cinquant'anni di accesi dibattitti si è arrivati alla conclusione che il Pianeta Terra è un pianeta dinamico. La teoria sulla deriva dei continenti di A. Wegener e l'espansione dei fondi oceanici di H. H. Hess contribuirono significativamente all'abbandono del concetto di un pianeta immobile.

Nel 1965 John Tuzo Wilson formulò la teoria sulla tettonica a placche dividendo la superficie terrestre in dodici placche litosferiche che galleggiano sulla sottostante astenosfera plastica. La sua teoria fu ben vista in ambito accademico in quanto, per la prima volta, egli spiegò la presenza di catene vulcaniche all'interno delle placche, definite punti caldi o hot spots (figura 1), e l'esistenza di margini trasformi oltre aquelli divergenti e convergenti già individuati da H.H. Hess. Alla fine degli anni sessanta si arriva alla completa formulazione della teoria della tettonica a placche grazie al contributo di numerosi scienziati, quali ad esempio, D.P. Mckenzie e R.L. Parker, W.J. Morgan.

Ridge Hawaii Kauai 4 o 0 Hawaii €0lder- (a) Section (b) Plan fig.1 Ipotesi di J. Tuzo Wilson sull'origine delle isole Hawaii

Un destino e le sue inevitabili conseguenze

La totalità degli scienziati concorda oggi con la teoria della tettonica a placche. Questo modello è in grado di spiegare tutti i fenomeni geologici che avvengono sulla terra, dalla distribuzione degli eventi sismici e vulcanici o all'orogenesi. Osservando la carta della distribuzione dei terremoti sulla superficie terrestre emerge che tale distribuzione non è casuale (figura 2), i terremoti sono concentrati al confine delle placche litosferiche, chiamati margini di placca.

fig.2 Distribuzione globale degli eventi sismici nel periodo 1963-1998

Lo studio dei dati sismici permette di delimitare meglio tali confini che sono caratterizzati da margini diversi: convergenti, divergenti e trasformi. I differenti tipi di margine presentano eventi sismici differenti, superficiali nel caso di margini divergenti e profondi nei margini convergenti.

KauaiLa carta di distribuzione degli eventi vulcanici evidenzia, anche in questo caso, una distribuzione non casuale (figura 3).

Hekla Pavlof - Laki Shishaldin Bezymianny Surtsey Mt. St. Helens Vesuvius Fujiyama Katmai ("Valley of 10.000 Smokes") Santorini Mt. Unzen Popocatepetl Mariana Is. Canary Is. Pinatubo Mt. Mayon Mauna Loa Parícutin Galapagos Is. Nevado del Ruiz Misti Krakatoa Cotopaxi Kilimanjaro Tambora Tonga Is. Easter Is. South Sandwich Is. Deception Is. fig.3 Mappa di distribuzione dei vulcani

Osservando la mappa emerge una distribuzione concentrata sul confine delle placche. Le zone in subduzione (margini convergenti) sono caratterizzate da un magmatismo di tipo esplosivo, mentre le dorsali (margini divergenti) presentano un magmatismo di tipo effusivo. Da un'attenta lettura della mappa ci si accorge che esiste anche un vulcanismo intraplacca, come nel caso delle isole Hawaii, legato alla risalita di magma profondo (hot spot).

L'orogenesi, ossia l'insieme dei processi che portano alla formazione di una catena montuosa, deriva dalla convergenza di due placche di tipo continentale o di tipo oceanico-continentale. Le imponenti catene alpine presenti sul nostro pianeta, come ad esempio la catena Himalayana, si trovano al confine di due placche continentali convergenti. Quindi anche la loro distribuzione sul pianeta è ben definita.

Cosa sono le placche?

Una placca è definita come una porzione di litosfera dotata di un movimento proprio e indipendente rispetto alle porzioni di litosfera adiacenti. Essa possiede una sua velocità e può essere costituita da litosfera continentale, oceanica o da entrambe. La litosfera, situata sopra l'isoterma di 1300°C, è costituita dalla crosta oceanica e continentale, e da una porzione del mantello superiore.

La crosta oceanica ha un'età compresa fra 0 e 180 milioni di anni, si presenta più sottile della crosta continentale ma possiede una densità maggiore (circa 2,8-3,0 g/cm3). Essa è composta da un livello di sedimenti (tetto), un livello a pillow lava e dicchi stratificati e infine un livello a gabbri (letto).

La crosta continentale, più vecchia della precedente, ha un'età variabile fino a 3,9 miliardi di anni, si presenta più spessa della crosta oceanica e con una densità inferiore (2,6-2,8 g/cm3). Essa è costituita nella parte alta da una copertura sedimentaria, rocce intrusive e metamorfiche, e nella parte bassa da rocce di tipo gabbrico.

Kilauea Etna PeléeL'astenosfera è ubicata sotto la litosfera e raggiunge una profondità di circa 400 km (figura 4).

0 km litosfera oceanica crosta 0 litosfera continentale 6,80 3,90 100 1300 ℃: 3.30 3 1024 VZ-bassa Il velocità 400 3.50 8.90 4.76 mantello superiore 3,72 670 1800 ℃ 3,99 25 1021 spinello pirolite 10,26 5,57 4,38 1022 1000 2300 °℃ 4,58 viscosità Pa s 11,48 6,40 densità g/cm3 50 1500 4,86 perovskite silicati ossidi 12,20 6,69 Vp-Vs km/s mantello inferiore 2000 2300 °C 5,12 12,80 6,93 100 2500 2500 °℃ 5,37 1024 13,40 7,14 2890 5,56 13,71 7,26 3000-4000 °C 9,90 150 8,22 0 3500 10,77 200 8,95 0 nucleo esterno liquido 10-2 4000 11,30 250 9,50 0 leghe di Fe-Ni 4500 11,75 9,95 0 300 5140 12.16 10.30 0 6000 ℃ 11,02 3,66 5500 12,92 >1011 nucleo interno solido 350 6000 6371 6500 ℃ 13,09 363 11,26 3,66 fig.4 Interno della terra suddiviso su base composizionale; è possibile notare il canale a bassa velocità o LVZ

Fra i 100 e 200 km di profondità è presente un canale a bassa velocità delle onde S (Low velocity zone), ossia una zona che presenta un comportamento meno rigido rispetto allo strato sovrastante e che permette l'instaurarsi della tettonica a placche. Esso rappresenta il piano di scollamento fra la litosfera e l'astenosfera. Un maggior sviluppo di questo livello corrisponde ad una maggiore velocità della placca litosferica. La velocità gioca pertanto un ruolo fondamentale nei differenti scenari tettonici.

Osservando le placche distribuite sul globo si nota che alcune placche hanno una estensione maggiore rispetto ad altre minori. Le placche principali sono: Pacifica, Nazca, Sud-America, Nord-America, Eurasia, Africa, Arabia, India, Australia, Antartide. Fra le placche intermedie e minori ricordiamo: Filippine, Cocos, Caraibi, Gorda, Anatolia, Somalia, Juan de Fuca (figura 5).

Fe-Ni 13,06 1012 8,11 4,49 astenosfera pressione GPaNORTH AMERICAN PLATE EURASIAN PLATE EURASIAN PLATE JUAN DE FUCA PLATE CARIBBEAN PLATE PHILIPPINE SEA PLATE ARABIAN PLATE INDIAN PLATE COCOS PLATE EQUATOR 1 PACIFIC PLATE NAZCA PLATE SOUTH AMERICAN PLATE AUSTRALIAN PLATE SCOTIA PLATE ANTARCTIC PLATE fig.5 Distribuzione delle placche maggiori e minori sul pianeta Terra

Zone inquiete

I margini di placca sono le zone in cui è possibile comprendere le relazioni fra le diverse placche e delinearne i movimenti. Eventi sismici, eruzioni vulcaniche e le grandi strutture tettoniche trovano la loro massima espressione in queste aree. Si stima che il 90% di energia rilasciata dai terremoti proviene dalle zone in subduzione (zone di convergenza), la restante da margini distensivi e trasformi.

I movimenti delle placche possono essere analizzati in modo assoluto, attraverso punti di riferimento fissi come i punti caldi (hot spots) oppure le stelle fisse, o in modo relativo, prendendo a riferimento due placche.

Il movimento relativo delle placche è studiato attraverso dati sismici, dati geodetici e dati geo-strutturali. Con la geodesia, la scienza che studia le dimensioni e la struttura della terra, è possibile osservare la terra dallo spazio. Le tre tecniche spaziali- geodetiche più comunemente utilizzate sono: il Global Positioning System (GPS), il Very Long Baseline Interferometry (VLBI), e il Satellite Laser Ranging (SLR), tecnologie nate per scopi militari e nella ricerca aerospaziale.

Il Global Positioning System (GPS), sviluppata dal Dipartimento della Difesa americano negli anni ottanta, utilizza i segnali radio emessi da 24 satelliti artificiali che si trovano in orbita intorno alla Terra a circa 20.000 km di quota ed è quella maggiormente utilizzata per misurare i movimenti crostali di tipo orizzontale.

I dati relativi alla velocità delle placche ottenuti dalle diverse tecniche di geodesia possono essere confrontati con i dati ottenuti dalla velocità delle placche nel passato geologico. Questo dato può essere ricavato dallo studio delle dorsali ed in particolare dai dati di magnetizzazione delle rocce che si originano da esse. Dal confronto emerge che i movimenti delle placche possono quindi essere considerati stabili nel tempo.