Dinamiche della litosfera: dalla trasformazione dei feldspati alla tettonica delle placche

Trasformazione dei feldspati in caolinite

Processo chimico nel quale i feldspati si trasformano in Caolinite. Le acque di precipitazione penetrano nel terreno e alterano il feldspato delle particelle rocciose lasciando come residuo la caolinite. Poiché l’unica parte di un solido che è disponibile per al reazione con un fluido è la superficie, più si aumenta l’estensione della superficie, più si accelera la reazione. Più piccoli sono i frammenti dei minerali e delle rocce maggiore è l’estensione della loro superficie. Il rapporto tra l’estensione della superficie e il volume aumenta notevolmente al diminuire delle dimensioni delle particelle. Nell’acqua si disciolgono potassio e silice (SiO2) presenti nei feldspati, quindi questa reazione lascia come residuo un nuovo minerale: la caolinite. Nella reazione è assorbita acqua, che viene incorporata nella struttura cristallina della caolinite. L’assorbimento di acqua o idratazione è uno dei principali processi di alterazione chimica.

Struttura e dinamica delle placche litosferiche

Le placche sono porzioni di litosfera rigida, galleggianti sull’astenosfera (viscosa). Per rigido, si intende che la deformazione interna alla placca è inferiore di almeno un ordine di grandezza rispetto a quanto si verifica lungo i margini. Quindi nelle placche la deformazione è confinata solo lungo i margini.

La litosfera terrestre è suddivisa in un certo numero di - Placca Africana;

- Euro-asiatica;

- Antartica;

- Pacifica;

- Nord-americana;

- Sud-americana;

- Indo-australiana;

Ciascuna placca è costituita solo da litosfera con crosta oceanica, o con crosta oceanica e continentale. L’estensione di ogni singola placca litosferica è inoltre variabile nel tempo geologico, potendo accrescere la sua area superficiale oppure ridurla fino a sparire completamente. Si hanno testimonianze indirette di placche esistite nel passato geologico e ora totalmente scomparse e si hanno ragionevoli motivi di pensare che si formeranno nel lontano futuro altre placche oggi non ancora esistenti. La superficie terrestre è interamente ricoperta dalle placche per cui l’espandersi di alcune implica la riduzione di altre. Lo spessore delle placche coincide con lo spessore della litosfera che varia tra 50-150 km, che è principalmente determinato dal tipo di crosta, più spesso dove la crosta è di tipo continentale e più sottile dove la crosta è di tipo oceanico; il minimo spessore si ha in corrispondenza dei margini divergenti delle placche. Ciascuna placca può spostarsi relativamente alle altre in un sistema che prevede che nessuno spazio libero intermedio tra una placca e l’altra possa sussistere.

Movimenti convettivi e forze delle placche

L’astenosfera si muove per convezione termica innescata dalla distribuzione eterogenea del calore derivante dal decadimento radioattivo di isotopi (40K, 235U, 238U, 232Th) e dal calore residuo connesso ai processi di formazione della terra. Si pensa che le placche litosferiche sono spinte dall’attrito viscoso esercitato dall’astenosfera alla base della litosfera. Le placche si muovono anche in risposta a forze applicate ai loro margini. Nella zona di dorsale si produce una spinta verso l’esterno causata dall’espansione del materiale caldo a densità minore proveniente dal sollevamento dell’astenosfera. Nelle zone di subduzione si sviluppa una forza di trazione causata dalla placca oceanica fredda e densa che sprofonda nel mantello.

Teoria della tettonica delle placche

La litosfera è frammentata in una dozzina di placche che si muovono rispetto alla sottostante astenosfera, meno rigida. La tettonica delle placche descrive i vari movimenti delle grandi strutture litosferiche e le forze che agiscono tra esse, spiegando la distribuzione su grande scala di molte strutture geologiche (catene montuose, vulcani, terremoti strutture sul fondo oceanico) che derivano dai movimenti in atto lungo i margini delle placche. Le idee centrali della tettonica delle placche confluirono in una teoria geologica meno di 40 anni fa, ma in realtà iniziò a svilupparsi agli inizi del XX secolo con gli inizi della scoperta della deriva dei continenti.

Evidenze della deriva dei continenti

La deriva dei continenti, cioè movimenti su grande scala dei continenti sul globo. Questa teoria fu dimostrata basandosi non soltanto sulle corrispondenze geografiche dei bordi dei continenti ai lati dell’atlantico, ma anche nelle somiglianze dell’età delle rocce e nei fossili, pure per l’andamento delle strutture geologiche lungo tali bordi. Le prove che attualmente vengono accettate per spiegare la deriva dei continenti sono:

- ritrovamenti fossili, sia in America Meridionale sia in Africa, risalenti a 300 milioni di anni fa di un rettile;

- vertebrati e piante terrestri presentavano similarità sullo sviluppo evolutivo fino al momento ipotizzato per la frammentazione del supercontinente dopo di che questi organismi seguirono vie evolutive divergenti;

- l’esistenza di depositi glaciali e di strie glaciali risalenti a 300 milioni di anni fa disseminati in America Meridionale, Africa, India e Australia che si spiega solo ipotizzando che essi fossero saldati e situati nella regione polare dove si riuscì a formare un unico strato di ghiaccio.

Evoluzione della teoria della deriva continentale

Nel 1915 Wengener ipotizzò l’esistenza in passato di un supercontinente chiamato Pangea, che successivamente si sarebbe frammentato nei continenti oggi conosciuti. Wengener però sbagliava le ipotesi sulle forze che generavano questi spostamenti. Il passo significativo avvenne quando gli scienziati compresero i movimenti convettivi del mantello terrestre, essi potevano spingere e trasportare i continenti, mentre producevano nuova crosta oceanica mediante il processo di espansione dei fondali oceanici. Nel 1928 Holmes si avvicinò alla formulazione della moderna teoria della deriva continentale però non riuscì a dimostrarle con argomentazioni scientifiche. Dopo la seconda guerra mondiale venne costruita la rappresentazione cartografica della dorsale medio-atlantica e quindi la scoperta di un solco molto simile ad una frattura detta fossa tettonica o rift valley e da qui si scoprirono molte altre dorsali anche nelle altre parti del mondo. Si ipotizzò che lungo le rift valley nelle dorsali oceaniche si separasse il fondo oceanico e che si potesse formare un nuovo fondo oceanico, lungo queste fratture, per risalita di materiale caldo dal mantello; questa nuova crosta si espandeva lateralmente allontanandosi dalla rift valley. Nel 1965 Wilson descrisse per la prima volta la tettonica del globo in termini di "placche" rigide e in movimento sulla superficie terrestre e definì tre tipi di margini di placca lungo le quali le placche si avvicinano (convergenti dove una delle due placche viene riciclata nel mantello) si separano (divergenti che formano nuova litosfera) o scorrono(trascorrenti lasciando la superficie delle placche invariata) l’una rispetto all’altra. Verso la fine degli anni 60 si iniziò a definire la definitiva teoria.

La crosta continentale è costituita da materiali più leggeri, mentre la crosta oceanica è più pesante e quindi scivola nel mantello. I margini di placca continentali essendo costituiti da materiale più debole risultano meno netti, più larghi e più complicati di quelli delle placche oceaniche.

Margini divergenti e rift valley

I margini divergenti all’interno dei bacini oceanici sono stretti solchi (rift). I margini divergenti all’interno dei continenti sono invece, più complicati e interessano un’area più ampia.

Sono delle forze distensive che provocano terremoti poco profondi. I margini divergenti possono essere:

- separazione tra placche oceaniche sul fondo oceanico. Il margine tra placche in allontanamento l’una dall’altra è contrassegnato da una dorsale oceanica che presenta vulcanismo attivo, terremoti e sprofondamenti causati da forze distensive, generate dall’allontanamento reciproco tra le due placche.

Esempio: dorsale Medio Atlantica. Mentre il materiale risale dal mantello genera nuove porzioni del fondo dell’oceano. I milioni di km2 di crosta oceanica che tappezzano attualmente i nostri oceani si sono originati in corrispondenza di questi centri di espansione.

- Separazione tra placche continentali. I margini divergenti in questa fase sono caratterizzati dalla presenza di rift valley, di attività vulcanica e di terremoti che si distribuiscono su un’area più ampia di quella occupata dai centri di espansione in aree oceaniche. Es Mar Rosso e Golfo della California. In certi casi, quando i rift sono in una fase più avanzata di evoluzione, i continenti sono allontanati già abbastanza da permettere la formazione di un nuovo fondo oceanico lungo l’asse di espansione e la rift valley è stata invasa dalle acque oceaniche. Talvolta la formazione di grandi fratture continentali può rallentarsi o arrestarsi prima che il continente si divida in due e apra un nuovo bacino oceanico.

Esempio: Valle del Reno (Francia – Germania).

Margini convergenti e subduzione

I margini convergenti si originano dove le placche entrano in collisione, in questi margini si possono verificare una grande varietà di eventi geologici. Producono: terremoti di tipo compressivo fino a grandi profondità (700 km) allineati lungo il piano di subduzione, forte attività vulcanica di tipo esplosivo e formazione di catene montuose topograficamente elevate.

- Convergenza oceano oceano. Quando le placche coinvolte sono entrambe oceaniche, l’una (con densità maggiore) discende al di sotto dell’altra (con densità minore) con un processo noto come subduzione, dove una delle due sprofonda nell’astenosfera dove viene riciclata nel sistema connettivo del mantello. Questa incurvatura produce una lunga e stretta fossa oceanica. La fossa delle marianne (-11 km) è un esempio di fossa oceanica. L’acqua intrappolata nella crosta oceanica provoca la fusione del mantello e quindi la formazione di una catena di vulcani chiamata arco insulare.

- Convergenza oceano continente. Se il margine di una delle due placche convergenti è un continente essendo più leggero della placca oceanica sale e scorre sopra la placca oceancica mandandola in subduzione. Il margine continentale viene completamente deformato e sollevato fino a costruire una catena montuosa ad andamento più o meno parallelo alla fossa basale. Le enormi forze coinvolte in questo processo generano violenti terremoti. Con il passare del tempo parte dei materiali della placca che sprofonda vengono strappati e saldati alla catena montuosa. Anche in questo caso l’acqua imprigionata nella crosta oceanica genera magmi che alimentano una serie di vulcani nella catena montuosa posta a lato della fossa.

Esempio: tra la placca di Nazca e la placca sudamericana che ha generato le Ande (lato Pacifico).

- Convergenza continente continente. Prima della convergenza tra due placche continentali c'è una placca oceanica che è andata in subduzione, per esempio nel caso della placca indiana che è andata in subduzione sotto la placca continentale euroasiatica, finchè il continente indiano è entrato in collisione con il continente asiatico, da quel momento la litosfera euroasiatica ha iniziato a sovrascorrere su quella indiana, che però tende a rimanere a galla sul mantello, per cui lo spessore della crosta è raddoppiato formando la catena dell'Himalaya.

Faglie trasformi e margini conservativi

In corrispondenza di alcuni margini le placche scivolano semplicemente l'una sull'altra e la litosfera non viene ne creata ne distrutta. Tali margini, detti conservativi coincidono con faglie trasformi (fratture lungo le quali avviene lo spostamento reciproco di due faglie adiacenti).

Esempio: la faglia di San Andreas dove la placca pacifica scivola lungo quella Nord Americana. Sui margini conservativi si possono verificare violenti terremoti.

Anomalie magnetiche e espansione dei fondali

Dopo la seconda guerra mondiale furono utilizzati strumenti estremamente sensibili per individuare il campo magnetico locale generato dalle rocce magnetizzate che formano il fondo oceanico. Così si scoprì che la forza del campo geomagnetico locale variava secondo schemi regolari. In molte aree valori elevati dell'intensità del campo geomagnetico si alternavano a valori bassi, secondo bande allungate e di varia larghezza, indicate come fasce di anomalie magnetiche. Tali fasce avevano un decorso parallelo all'asse di qualche dorsale oceanica. Gli scienziati sanno da circa 400 anni che a causa del campo magnetico terrestre l'ago di una bussola indica il polo nord magnetico. Ripetendo queste misurazioni in centinaia di luoghi su tutta la terra è stata costruita la storia dettagliata di queste inversioni magnetiche chiamata scala paleomagnetica. Queste tracce dove si rinviene l'inversione di polarità sono visibili perchè quando colate di lava ricche in ferro solidificano si magnetizzano secondo la direzione del campo magnetico esistente in quel momento, questo fenomeno è chiamato magnetizzazione termoresiduale. Quando il fondo oceanico si scinde e si allontana dall'asse della dorsale, circa metà del materiale appena magnetizzato si sposta verso un lato e l'altra metà sul lato opposto, formando due fasce simmetriche di fondo oceanico, magnetizzate nello stesso modo; materiale più recente colma la frattura e il processo continua. Questa scoperta oltre a spiegare il comportamento delle anomalie magnetiche, e la tettonica delle placche è in grado anche di misurare la velocità di espansione dei fondali oceanici, sia attuale che del passato geologico. Le placche si allargano con una velocità media di 50 mm/a, ma ci sono placche si si spostano di 20mm/a e altre che lo fanno a 150 mm/a, che geologicamente parlando sono movimenti molto rapidi. In questo modo vagando per gli oceani e misurando le inversioni di polarità si è potuto sapere l'età di tutti i fondali oceanici senza dover prelevare dei campioni di rocce. Con delle perforazioni in mare profondo si scoprì analizzando i sedimenti fossili più antichi posizionati appena al di sopra della crosta basaltica l'età delle rocce e che essa aumentava allontanandosi dalla dorsale; questa è un'altra prova per la teoria delle placche. Wegner provò a dimostrare la sua teoria facendo dei rilevamenti astronomici, ma all'epoca essi erano troppo imprecisi, ora però visto che i rilevamenti astronomici (basati su onde radio) hanno al precisione del millimetro è stato possibile dimostrare l'allontanamento delle placche.

Il calore che viene liberato dalle profondità dell'interno della terra fa si che questo materiale si muova per convezione a velocità di poche decine di millimetri all'anno. Quasi tutti gli scienziati sono convinti che le placche litosferiche, nei loro movimenti, rispondano in qualche modo allo scorrimento del mantello sottostante, ma il meccanismo non è ancora del tutto chiaro.