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Articoli-Illustrati » geologia »

Tettonica delle placche: Come funziona?

- Di Michele Pregliasco ONC CAI Savona, 2013 -

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INDICE

1. Il puzzle delle placche litosferiche

Sul pianeta Terra ciò che sembra immobile in realtà non lo è: l’oceano Atlantico si allarga e ogni anno la distanza tra l’Europa e l’America aumenta di circa 2,5 cm mentre, al contrario, l’India e l’Asia si avvicinano di quasi 4-6 cm. In realtà, a muoversi non sono tanto continenti e oceani quanto le placche o zolle tettoniche sulle quali vengono trasportati.

2. Cosa sono le placche?

Noi viviamo sulla superficie di un sottile strato, solo 35Km di spessore rispetto ai 6000 Km di raggio del pianeta, chiamato crosta terrestre. Sotto la crosta c'è un materiale molto ricco di ferro e magnesio chiamato mantello che con i suoi 2970 km di spessore rappresenta l'80% del volume della Terra. L’estremità superiore del mantello a contatto con la crosta forma con essa la litosfera, l'involucro rigido che avvolge il pianeta che si estende fino a 100 Km di profondità. Ebbene, questa combinazione di crosta e mantello è ciò che costituisce le famose placche. Infatti su tutto il pianeta la litosfera è divisa in un gran numero di frammenti chiamate placche litosferica o zolle che trasportano su di esse oceani e continenti: possono esistere placche formate da sola crosta oceanica come quella del pacifico ma anche placche che trasportano crosta oceanica e continentale come la placche americana e africana sulla quale, oltre ai rispettivi continenti, insiste l’oceano Atlantico. Come vedremo più avanti sarà la crosta a caratterizzare il comportamento delle placche. Il motore che muove le placche va ricercato in quello che c’è sotto: il mantello terrestre. Si può immaginare che la litosfera, fredda e rigida, possa “galleggiare” sul sottostante mantello caldo e plastico, dove movimenti convettivi frammentano la litosfera e sospingono le placche tettoniche. Sotto la litosfera c’è quella parte del mantello chiamata astenosfera (dal greco asthenes = debole); le sue rocce parzialmente fuse si comportano come un liquido ad alta viscosità, meno denso e più plastico rispetto al mantello sottostante, una sorta di cuscinetto a sfere sul quale le placche possono scorrere e “galleggiare” sospinte dalle correnti convettive. Le placche galleggiano perché più fredde, meno dense e dunque più leggere (a parità di volume) rispetto al sottostante mantello astenosferico, in accordo con il ben noto principio di Archimede.

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3. Crosta oceanica e continentale

La crosta Terrestre, che assieme alla parte più esterna del mantello (mantello litosferico) forma l’involucro esterno rigido chiamato litosfera, ha una composizione diversa a seconda che si tratti di crosta continentale o di crosta oceanica. Quest’ultima è la crosta che costituisce i fondali degli oceani in espansione, quelli che si allargano ogni anno per intenderci. E formata da un materiale molto denso, il basalto 2,9 g/cm³. E’ questo il motivo per cui la crosta oceanica è più pesante dello stesso volume di crosta continentale la cui composizione affine al granito ha una densità media di 2,7 g/cm³. Si noti anche come la crosta oceanica sia molto più sottile rispetto a quella continentale e che quest'ultima in corrispondenza dei rilievi montuosi raggiunge i massimi spessori. Questo è un fenomeno dovuto proprio al fatto che, in virtù della sua densità, la crosta continentale tende a galleggiare sul sottostante mantello meglio di quella oceanica, ma vedremo meglio questi dettagli più avanti.

4. Margini convergenti

I geologici hanno studiato i comportamenti delle placche osservando quello che accade lungo i loro margini, in pratica si sono posti una semplice domanda: che cosa possono fare due placche confinanti?

Due placche potrebbero avvicinarsi? E come potrebbero farlo se sono già a contatto? Semplice, basta che l’una scivoli sotto all’altra, in questo modo la più pesante (quella formata da crosta oceanica) scorrerà sotto la più leggera (quella formata da crosta continentale).

E dove va a finire la placca più pesante? S’inabisserà nel mantello terrestre (subduzione), dove temperature dell’ordine di migliaia di gradi la faranno fondere. E’ così che le placche muoiono e’ questo è il motivo per cui i margini convergenti sono anche chiamati distruttivi, perché consumano la litosfera attraverso la subduzione come sta avvenendo lungo le coste del Perù e del Cile.

Ma che cosa succede se si scontrano due placche formate da crosta continentale che hanno lo stesso peso? Nessuna delle due andrà in subduzione e si otterrà uno scontro dove, come negli incidenti automobilistici, si avrà una sorta di deformazione e "accavallamento" dei materiali coinvolti nel "sinistro" (i geologi parlano più correttamente deformazione e impilamento delle falde). Su scala planetaria questo fenomeno inspessisce la crosta terrestre, in altre parole è cosi che si creano le montagne, un fenomeno che i geologi chiamano orogenesi e interessa la catena alpino-himalayana.

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5. Margini divergenti

6. Oceani e montagne

Tutti gli oceani sono tra loro comunicanti, c'è un unico oceano globale, e le acque vengono “travasate” dagli oceani che si chiudono dove la litosfera si ispessisce (lungo margini convergenti) a quelli che si aprono dove la litosfera si assottiglia (lungo i margini divergenti).

Le montagna invece nascono e crescono dove le placche si scontrano, e la loro altezza è limitata dall'erosione meteorica.

Quindi gli oceani, la loro estensione e il loro perdurare nel tempo così come le catene montuose sono legati alla geologia tramite i movimenti delle placche. Solo i margini trasformi, relativi ad una placca che scorre a fianco ad un'altra, non hanno effetti su mari e montagne ma producono intensi terremoti. Inoltre i margini convergenti non solo creano le montagne ma anche i vulcani legati all'orogenesi (orogenici), i più distruttivi del pianeta, mentre i margini divergenti producono un magma basico, che da luogo a eruzioni meno esplosive (vulcanismo anorogenico)

Da questo momento, quando osserveremo una carta geografica, sapremo che nulla di quello che vedremo resterà immutato nel corso del tempo. Ci sono mari e oceani che nascono mentre altri muoiono o si espandono. Anche le montagne, in alcune parti del pianeta, si sollevano ancora oggi.

Esistono luoghi sulla Terra dove gli oceani nascono, sono le Rift Valley continentali, le fosse tettoniche che caratterizzano la crosta continentale in fase di oceanizzazione. Qui la crosta terrestre si sta lacerando per separarsi, in un giorno lontano, in due placche tettoniche divergenti dove un nuovo giovane oceano s’interporrà tra le due placche.

7. Esplorare gli oceani per capire la Terra

Una lunga e ininterrotta catena montuosa sottomarina si estende sotto tutti gli oceani della Terra. Sono le dorsali medio-oceaniche dalle quali sgorgano le lave provenienti dalle profondità del mantello terrestre.

E’ qui che il pianeta Terra rinnova la sua pelle: la litosfera, riversando sul pavimento degli oceani lave che si consolidano in nuova crosta oceanica. Oltre alle dorsali furono scoperte ed esplorate impressionanti fosse che si aprivano in prossimità dei continenti o degli archi insulari. Qui, i dati geofisici provano che la litosfera si piega per sprofondare all’interno del mantello terrestre (subduzione), a centinai di chilometri di profondità sotto la crosta continentale.

Se dorsali e fosse oceaniche sono le morfologie più eclatanti dei fondi oceanici, è possibile che esse siano collegate alla dinamica profonda del pianeta? Sono fenomeni collegati tra loro o non hanno alcun nesso con una causa comune? La risposta a queste domande è stata data dalla teoria della tettonica delle placche.

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8. Come funziona la tettonica delle placche

Nel 1911, l’astronomo e meteorologo tedesco Alfred Wegener, leggendo un articolo che riportava la notizia del ritrovamento delle stesse specie fossili sulle coste dell’Africa e dell’America del Sud, intuì che i continenti si muovono sulla superficie terrestre e che un tempo erano uniti in un super continente dove gli animali potevano spostarsi liberamente. Egli, pur trovando altre prove scientifiche a sostegno della sua “teoria della deriva dei continenti”, non riusciva a spiegarne la causa. Bisognerà aspettare il 1928, quando il britannico Arthur Holmes suggerì che le zolle fossero mosse dai moti convettivi all’interno della Terra: nasceva la tettonica delle placche. Da qui a capire che la litosfera era prodotta della risalita dei magmi dalle dorsali medio-oceaniche il passo fu breva (Harry Hammond Hess, ipotesi dell’espansione dei fondi oceanici, 1960), ma bisognava spiegare dove andava a finire tutta quella roccia: in effetti, il pianeta avrebbe dovuto ingrandirsi per la quantità di litosfera prodotta dagli oceani, ma nessuno si era mai accorto che il volume della Terra aumentava!

La soluzione è semplice: tanta litosfera è creata dalle dorsali quanta ne è consumata e distrutta nelle fosse oceaniche. In questo modo il volume del pianeta è salvo. Le fosse oceaniche sono i luoghi del pianeta dove le zolle si scontrano (margini convergenti). Quando questo avviene, la placca oceanica, densa e pesante, finisce sotto quella continentale, più leggera, e sprofonda nel mantello terrestre, dove viene riassorbita e riciclata.

La zolla oceanica avrebbe una densità molto simile a quella del mantello se non fosse più fredda ^[1], e dunque, più densa, cola a picco facendo naufragio nel sottostante mantello caldo. Il processo di lenta discesa di una placca all’interno del pianeta si chiama subduzione.

Quindi la litosfera viene creata e si accresce lungo le dorsali, ossia lungo i margini divergenti delle placche (che per questo motivo sono anche chiamati margini costruttivi) e si muove verso i margini continentali di tipo convergente (chiamati anche margini distruttivi) per essere inghiottita dalla subduzione nelle fosse.

Ovviamente, può accadere che a entrare in collisione siano due zolle oceaniche: in questo caso, una delle due andrà in subduzione è sarà riassorbita nel mantello.

9. Tomografia sismica

Spesso la medicina ricorre alla TAC, uno strumento che, avvalendosi della capacità dei raggi X di rilevare la densità dei tessuti, permette di ottenere immagini tridimensionali dell’interno del corpo umano. Oggi anche la geologia ha uno strumento simile che impiega le onde sismiche prodotte dai terremoti; si tratta della tomografia sismica che rileva le zone più calde (dove le onde viaggiano più lentamente) e le zone più fredde (dove le onde accelerano). Con questo strumento è possibile ricostruire una mappa dell’intero pianeta ed evidenziare come il flusso di calore si propaga all’interno di esso.

A destra la mappa sismica è stata tradotta in un modello della Terra che evidenzia i flussi di calore, le temperature sono espresse in gradi kelvin (0°C = 273,15K). A sinistra il modello è stato ridisegnato e semplificato, mettendo in evidenza le fosse e le dorsali prodotti dai movimenti convettivi indicati dalle frecce grandi (circolazione mantello inferiore) e piccole (circolazione mantello superiore). Il modello fa uso della teoria della circolazione convettiva a strati (vedi Moti convettivi). Si osservi come, su tutta la superficie del pianeta, il sistema di dorsali e di fosse creino (le prime) e distruggano (le seconde) continuamente la litosfera, in accordo con quanto detto prima.

Entrambi i modelli evidenziano come, in alcuni punti della Terra, vi siano delle risalite di materiali caldi che dalla zona di contatto mantello/nucleo risalgono verso la superficie. Sono i pennacchi caldi (hot plume) e sono i probabili responsabili di numerosi fenomeni vulcanici. I pennacchi alimentato sacche di magma hot spot sotto la superfice del pianeta e possono perforare la litosfera generando un punto caldo come nel caso dei vulcani hawaiani. Seconda alcuni autori sono i pennacchi caldi i responsabili della fratturazione della litosfera e della conseguente formazione di margini divergenti e dorsali oceaniche; Ma questa è una teoria non ancora accettata da tutta la comunità scientifica.

10. Gli oceani affondano,
i continenti galleggiano

Gli oceani si aprono, si chiudono, nascono e muoiono perciò sono molto più giovani rispetto ai continenti. Un oceano ha mediamente “appena” 250 milioni di anni, mentre i continenti portano tracce di epoche remotissime della Terra e possono aver impiegato miliardi di anni per formarsi.

Nella figura è rappresentato il fondo oceanico dell’Atlantico. In colore rosso sono evidenziate le rocce più giovani prodotte dall’azione effusiva lungo la dorsale medio-atlantica. I colori giallo, verde e celeste indicano rocce sempre più antiche man mano che ci si avvicina alle coste dei continenti, a evidenziare come i materiali prodotte dalle dorsali si allontanano da esse e si espandono verso i continenti nel corso di milioni di anni.

Il fondo degli oceani è costituito da scuro basalto, la famosa crosta oceanica, densa e quindi pesante, che facilmente sprofonda (subduzione) nel mantello terrestre dove viene riciclata. Al contrario i continenti sono costituiti da crosta continentale: chiare rocce meno dense e più leggere (ad esempio i graniti) e per questo motivo sono praticamente “inaffondabili”: si spezzano, si spostano, si scontrano, si saldano, ma non sprofondano nel mantello (tranne parti di essi lungo i margini convergenti).

 

11. Che cosa è un terremoto

Se si esamina la carta che riporta la distribuzione dei vulcani e dei terremoti sulla superficie del pianeta, si nota subito che non sono disposti a caso. La superficie del globo è suddivisa in più di una dozzina di grandi placche litosferiche, incastrate l’una dentro l’altra, e, guarda caso, la maggior parte dei vulcani e dei terremoti sono allineati lungo i loro confini. Appare evidente una relazione tra placche tettoniche ed eventi vulcanici-sismici, ma qual è? Tentiamo di scoprirlo.

I terremoti avvengono lungo le faglie dei margini delle placche, in particolare nei margini convergenti e trasformi. Le faglie sono le fratture lungo le quali le rocce scivolano l’una contro l’altra spinte dai movimenti dei margini delle placche. Il guaio è che, mentre i margini si muovono (poniamo di 1 centimetro all’anno), lungo la faglia le rocce restano bloccate, incastrate l’una nell’altra. Si accumula così un’energia sempre più grande, che deforma ma non muove i materiali, che mette sempre più in tensione, come se si caricasse una molla, la faglia. Quando le tensioni superano la resistenza delle rocce, queste, in pochi secondi, scivolano di colpo le une sulle altre: ecco il terremoto. Se i margini si muovono con una velocità, poniamo, di un paio di centimetri all’anno, e il sisma si verifica a distanza di cento anni da quello precedente, la faglia si muove di un paio di metri. Famosa è la faglia di sant’Andreas in California: qui la zolla americana e quella pacifica sono a contatto e si muovono in direzioni opposte. Il movimento trascorrente della faglia di Sant Andreas avviene a scatti, liberando in breve tempo l’energia accumulata scatenando pericolosi terremoti.

12. Vulcani esplosivi e vulcani effusivi

Esistono sostanzialmente due tipi di vulcani: quelli tranquilli (effusivi) che eruttano lave molto fluide come il latte che trabocca dal pentolino troppo a lungo sul fuoco, e quelli esplosivi, molto pericolosi per l’uomo e per le sue attività, più simili a un tappo di champagne che salta via assieme alla ben nota spuma. Il magma esplosivo è molto ricco in silice, motivo per il quale risulta molto viscoso e riesce così a intrappolare i gas che forniscono la forza propulsiva alle esplosioni. Le condizioni per generare questo tipo di magma si trovano nelle zone di subduzione, quando la crosta continentale (molto acida) fonde e risale in superficie. Questi vulcani sono legati all’orogenesi, e per questo sono chiamati orogenici; i loro magmi sono detti andesitici (dalla catena delle Ande, famosa per questo tipo di vulcanismo). L’Italia non manca certo di una forte rappresentanza di questo tipo di vulcanismo: il Vesuvio e tutta la provincia magmatica romana oltre alle splendide isole Eolie. Il magma effusivo invece è molto più fluido perché povero in silice, per questo i gas contenuti si liberano con estrema facilità senza dare luogo a grandi fenomeni esplosivi e le lave percorrono grandi distanze (fino a 30-40 Km). Questi vulcani sono correlati a zone dove la crosta terrestre è sottoposta a tensione, in corrispondenza dei margini divergenti delle placche ad esempio. Sono chiamati vulcani anorogenici ed emettono grandi quantità di lava basaltica. In Italia l’Etna è un vulcano di questo tipo come pure il Kilimangiaro, le isole Hawaii e, ovviamente, tutti i vulcani allineati lungo le dorsali medio-oceaniche.

13. La tettonica delle placche illustrata

1. Ci sono due tipi di litosfera: continentale e oceanica. La litosfera continentale è composta da minerali relativamente leggeri e ha una bassa densità. La litosfera oceanica è più densa di quella continentale perché composta da minerali pesanti. Una placca può essere interamente fatta di litosfera oceanica o continentale, ma molte sono in parte oceaniche ed in parte continentali.
2. Sotto la placche litosferiche si trova l'astenosfera, uno strato del mantello composto da roccia densa ma semi-solida (perché molto calda). Dato che le placche sono meno dense rispetto all'astenosfera sottostante, esse galleggiano sull'astenosfera.
3. In profondità l'astenosfera è soggetta a pressioni e temperature così alte che le rocce risultano plastiche e parzialmente fuse. Queste rocce si comportano come un fluido molto viscoso che può fluire molto lentamente nel corso dei tempi geologici.
4. Una volta formatesi, le correnti convettive portano i materiali caldi del mantello profondo verso la superficie.
5. Una volta arrivata in prossimità della superficie, le correnti convettive divergono alla base della litosfera. Le correnti divergenti esercitano una debole trazione e stiramento sulla placca solida sovrastante. La tensione e il flusso di calore indeboliscono la placca che si rompe in due. I due lati della placca si allontanano formando un margine di placche divergenti.
6. Lo spazio tra queste placche divergenti è riempito da roccia fusa (magma) che arriva dal basso(vulcanismo anorogenico). Il contatto con le acque dell'oceano raffreddano il magma che solidifica rapidamente, formando nuova litosfera oceanica. Questi processi, che operano da milioni di anni, hanno costruito catene di vulcani sottomarini e fosse tettoniche (rift valleys) chiamati media dorsale oceanica o zona di divergenza.
7. Nuova roccia fusa è continuamente estrusa dalla dorsale medio oceanica per formare nuova placca, mentre la parte più vecchia (formata in precedenza) della placca oceanica si allontana dalla dorsale dove era stata originariamente creata.
8. La placca oceanica si raffredda gradualmente mentre si allontana sempre di più dal caldo margine in apertura della dorsale. La placca raffreddandosi diviene sempre più densa, fino al punto che, il bordo più lontano dalla dorsale, diviene più denso della sottostante astenosfera.
9. Per il principio di Archimede, i materiali più densi affondano, ed è esattamente quello che succede alla placca oceanica: incomincia ad affondare nella astenosfera. Dove un placca affonda sotto un'altra si forma una zona di subduzione.
10. Il pesante bordo in subduzione (cioè che affonda) della placca oceanica tira dietro di se il resto della placca (molte evidenze suggeriscono che questo fenomeno sia il principale artefice della subduzione) I geologi non hanno una precisa idea di quale sia la profondità raggiunta dalla placca oceanica prima di fondere, ma sappiamo che resta rigida fino a profondità superiori a 100Km.
11. Le zone subduzione avvengono lungo i margini di placca convergente, dove le placche si scontrano l'una con l'altra. Si noti che mentre la fredda placca oceanica affonda, la pur fredda ma meno densa placca continentale galleggia come una tappo di sughero sulla densa astenosfera.
12. Quando le placche oceaniche in subduzione affondano sotto la superficie terrestre, le alte temperature, le grandi pressioni in profondità e l'acqua che si libera dalle rocce, liberano fluidi dalla placca in subduzione che, risalendo in superficie, permettono di fodere localmente il mantello sovrastante, formando tasche di roccia liquida (magma).
13. Il mantello fuso (magma) così generato è meno denso delle rocce sovrastanti e risale verso la superfice. La maggior parte del magma si raffredda e si solidifica come grandi corpi di rocce plutoniche (intrusive) molto al di sotto della superficie terrestre. Questi grandi corpi, quando vengono esposti nel corso del tempo all'erosione, formano i nuclei di molti grandi catene montuose come la Sierra Nevada (California) o le Ande (Sud America) creati lungo le zone di subduzione, dove convergono le placche.
14. Parte della roccia fusa può raggiungere la superficie terrestre ed eruttare grazie ai gas liberati dal magma repentinamente (Vulcanismo orogenico), e formare le rocce vulcaniche. Nel corso del tempo, lave e ceneri eruttata si accumulano strato dopo strato formando catene montuose vulcanische e altipiani.

14. Tira, spinge o trascina?

Bibliografia

Bosellini A. (2005). Storia geologica d'Italia. Zanichelli - ISBN 88-08-07527-3
Brahic, Tapponier, Brown, Girardon 2001. Intervista con la Terra. Salani editore - ISBN 88-8451-266-2
Bosellini A. (2011). La Terra dinamica. Zanichelli - ISBN 978-88-08-06707-4

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©Michele Pregliasco: Operatore Naturalistico Culturale del Club Alpino Italiano