La dinamica della litosfera

La dinamica della litosfera

la densita' media della terra e' 5,5 . le rocce che costituiscono la crosta hanno densita' media tra 2,7 e 3, l' interno del pianeta deve essere formato da materiali e densita' molto elevata per raggiungere il valore medio. il nostro pianeta presenta una struttura a involucri concentrici, di diversa natura e spessore: una sottile crosta ricopre uno spesso mantello (fino a 2900 km di profondita'), il quale a sua volta ricopre uno spesso nucleo( distinto in interno ed esterno, con un raggio complessivo di oltre 3400km). tale struttura e' notevolmente complessa : presenta delle superfici di discontinuita' sismiche : a varie profondita' infatti il modo in cui si propagano le onde sismiche mette in evidenza l' esistenza di superfici che separano materiali di caratteristiche meccaniche diverse. tali superfici possono indicare il brusco contatto tra rocce diverse; oppure un rapido aumento di densita' nello stesso materiale( dovuto alla pressione ); o indicano la rapida transizione da materiale rigido a materiale che si comporta com un fluido.

la crosta : parte + esterna del pianeta, il suo spessore varia da una media di 35km sotto i continenti a una media di 6 km sotto gli oceani. la sua composizione e' molto eterogenea, la sua densita' varia da 2,7 (continenti) a 3 (basalti oceanici). la base della crosta e' indicata da una discontinuita' sismica (superficie di moho- limite tra crosta e mantello).

il mantello : rappresenta l' 82% in volume della terra e si estende dalla moho fino a 2900 km di profondita' dove e' presente un' altra superficie di discontinuita', la superficie di gutenberg. la moho, con la quale si fa iniziare il mantello, corrisponde a un brusco aumento della velocita' con cui si propagano le onde sismiche rispetto alla crosta, cio' significa che le rocce del mantello sono + rigide. la temperatura sale fino a 3000° c; la pressione aumenta fino a 1400 kbar; e la densita' dei materiali sale a 5,6. in una fascia tra 70 e 250 km la velocita' delle onde sismiche diminuisce, per poi aumentare con la profondita'. tale zona e' chiamata astenosfera, zona di materiale parzialmente fuso. a profondita' maggiori la rigidita' torna ad aumentare con la profondita' , ci sono altre 2 discontinuita' a 400 e 700 km. al di sotto , fino a 2900 km la rigidita' e la densita' del mantello aumentano gradualmente. i materiali di cui e' formato il mantello sono le peridotiti ( rocce ultrabasiche formate da olivina e pirosseni). le discontinuita' a 400 e 700 km indicano un cambiamento di fase : gli elementi chimici sono gli stessi, ma gli atomi si riorganizzano in minerali diversi , + impacchettati tra loro( olivina-spinello).

il nucleo : la discontinuita' sismica di gutemberg segna il passaggio al nucleo che comprende il 16% del volume della terra. la temperatura sale fino a oltre 3000° c, la pressione aumenta fino a 3600 kbar, la densita' aumenta da 9,7 fino a 13. il materiale della parte piu' esterna del nucleo ha le caratteristiche di un fluido, la discontinuita' di lehmann indica il passaggio a un nucleo solido. sulla natura del nucleo sono state fatte diverse ipotesi : da quella di una lega ferro-nichel, a quella di materia solare indifferenziata ( atomi di idrogeno impacchettati tra loro). quella + accreditata e' la 1°, ma un nucleo di solo ferro e nichel sarebbe + denso di quanto indicato dai dati sismici, e' alleggerito dalla presenza di silicio e zolfo.

flusso termico e temperatura all' interno della terra

l' interno della terra e' tanto + caldo + si scende in profondita'. la terra perde continuamente calore da tutta la superficie. il flusso termico terrestre e' molto basso; tuttavia e' il + imponente fenomeno terrestre. la terra ci appare come un gigantesco motore termico. un tempo si riteneva che il calore terrestre fosse unicamente il residuo dello stadio primordiale della terra : ma tale ipotesi e' inadeguata. si e' pensato alla radioattivita' : nella crosta terrestre sono presenti vari isotopi, il loro decadimento petrebbe spiegare quasi tutto il flusso di calore della terra. nelle rocce acide gli isotopi hanno una concentrazione maggiore che in quelle basiche (graniti>basalti), quindi sui continenti il flusso termico dovrebbe essere maggiore che sul fondo degli oceani, ma il valore medio del flusso e' molto simile in entrambi i casi. anche nel mantello si produce calore per radio attivata' , il flusso di calore del mantello deve essere piu' abbondante sotto la crosta oceanica che in quella continentale, in modo che il valore medio del flusso totale risulti simile nei due casi. il trasporto di questo calore + efficace sotto la crosta oceanica viene attribuito alle correnti convettive nel mantello (spostamenti di materiale + caldo che risale da zone profonde verso l' alto, sostituito da materiale raffreddatosi in superficie. l' origine di questi rimescolamenti di materiale va cercata in una disomogeneita' termica nel mantello). la temperatura varia a seconda della profondita', il gradiente geotermico aumenta di 30° c ogni 1000 m, questo valore varia a seconda delle aree. tale gradiente non puo' aumentare costantemente con la profondita'. per indicare l' andamento della temperatura e' stata costruita la geoterma che indica l' andamento della temperatura a seconda della profondita'( al centro della terra la temperatura non supera i 4300° c).

il campo magnetico terrestre

la terra possiede un campo magnetico, la cui struttura puo' essere descritta supponendo di porre al centro del pianeta una barra magnetica. in realta' la forma del campo e' + complessa,il campo magnetico non e' dipolare ma prevalentemente dipolare, inoltre al di sopra del punto di curie(500°c)   i meteriali magnetici perdono il loro magnetismo. l' ipotesi + convincente per spiegare l' orgine del campo magnetico e' la dinamo ad autoeccitazione. tale modello prevede la presenza di un materiale buon conduttore di elettricita' in movimento dentro la terra( nucleo esterno di ferro fuso), il campo magnetico iniziale richiesto per innescare la geodinamo basta che la terra abbia attraversato un campo sporadico probabilmente di origine solare, mantre erano gia' in atto i moti convettivi nel nucleo fluido.

la conoscenza del campo magnetico si e' ampliata con il paleomagnetismo(studio del campo magnetico terrestre nel passato). molte rocce conservano una magnetizzazione propria indotta dal campo geomagnetico esistente nel momento della formazione. la direzione della magnetizzazione conservata nelle rocce antiche era diversa da quella del campo geomagnetico attuale, come se il polo nord magnetico avesse occupato nel tempo posizioni differenti, in realta' non erano i poli a muoversi ma i continenti. altra scoperta : in molte rocce di eta' recente la direzione di magnetizzazione risulta inversa al campo magnetico attuale, cio' rivela la presenza di ripetute inversioni di polarita'

la struttura della crosta

esistono 2 tipi di crosta, quella oceanica e quella continentale. la prima e' coperta dalle acque degli oceani, l' altra corrisponde ai continenti e la loro prosecuzione sotto il mare, comprende la piattaforma e la scarpata continentale. i due tipi di crosta sono diversi tra loro: il livello medio della superficie della crosta continentale e' di oltre 4000 m maggiore di quello della crosta oceanica( la crosta continentale sovrasta ovunque quella oceanica rispetto alla quale presenta uno spessore mediomolto maggiore). altro elemento di differenza e' l' eta' : nella continentale ci sono rocce giovani e di 4 miliardi di anni, i fondi oceanici non + di 190 milioni di anni. la crosta oceanica ha una struttura a strati molto regolare, la crosta continentale ha una struttura estremamente eterogenea. scudi ( ampie pianure costituiti da affioramenti di rocce ignee e metamorfiche non interessate a orogenesi), e tavolati(circondano gli scudi, ampie zone paineggianti alternatamente sommersi ed emersi, non coinvolti in processi di orogenesi) e fasce orogeniche( in essi l' orogenesi si e' verificata in tempi recenti e non hanno la spessore e la stabilita' del resto del continente), formano la crosta continentale.

la crosta terrestre nel suo insieme affonda nel mantello a seconda del suo spessore, galleggia sul mantello a causa della sua minore densita'. la tendenza della crosta a raggiungere una posizione di equilibrio con il galleggiamento e' detto isostasia; aggiustamenti isostatici sono detti i movimenti verticali con cui la crosta reagisce ad ogni modifica di tale equilibrio. nel corso dell' orogenesi lo spessore della fascia di crosta soggetta aumenta , con un conseguente sprofondamento del settore di crosta nel mantello, finche' la spinta di galleggiamento non ne compensa il maggior peso.

l' espansione dei fondi oceanici

la teoria mobilista + completa fu formulata da wegner : circa 200 milioni di anni fa la crosta continentale era unita (pangea), e circondata da un unico gande oceano (pantalassa), si sarebbe poi smembrata in + parti che si sarebbero allontanate tra di loro secondo un meccanismo chiamato deriva dei continenti. questa teoria partiva dalla constatazione che in sud america, sud africa, india, australia e antartide vi sia stata fino a 200 milioni di anni fa una storia geografica uguale. dove questa teoria era poco sostenibile era nelle cause e nelle modalita' di questa deriva(continenti di sial che galleggiano sul mantello piu' denso di sima). la soluzione fu trovata negli anni '60 con la scoperta che il pavimento degli oceani non e' stabile, ma in continua evoluzione : la crosta terrestre si rinnova costantemente.

sul fondo degli oceani si snoda un sistema di dorsali montuose sommerse, lungo 60000 km( fascia di crosta oceanica inarcata verso l' alto ). la cresta del sistema di dorsali e' segnata da un solco longitudinale profondo alcune centinaia di metri chiamata rift valley. la rift valley e la dorsale sono interrotte da un sistema trasversale di fratture chiamate faglie trasformi. lungo le spaccature che delimitano la rift valley risale continuamente dal mantello magma ed e' luogo di numerosi terremoti. cio' indica che sotto la crosta, in corrispondenza delle dorsali deve esistere un flusso continuo di materiale molto caldo in risalita dal mantello. arrivata in prossimita' della superficie tale massa si espande dividendosi in rami che si allontanano in direzioni opposte rispetto alla posizione della dorsale e si muovono di qualche cm l' anno perdendo calore. in superficie i due fianch delle dorsali si allontanano l' uno dall' altro a partire dalla rift valley: tale movimento non lascia spazi vuoti in quanto risale continuamente magma. i fondi oceanici si accrescono e si espandono a partire dalla rift valley. anche nelle fosse abissali e' presente attivita' vulcanica, ma a una certa distanza dalla fossa lungo una fascia parallela. se la fossa fiancheggia il margine di un continente, lungo quest' ultimo si innalza un arco vulcanico; se invece la fossa e' in pieno oceano si nota un arco di isole vulcaniche. il vulcanismo delle fosse e' caratterizzato da magmi ricchi di gas e vapori, quindi molto esplosivo.

alla formazione ed espansione di nuova litosfera deve corrispondere qualche consunzione della litosfera. la rift valley corrisponde a una gigantesca crepa estesa su tutto l' involucro litosferico; attraverso di essa materiale fuso risale e alimenta la formazione di nuova litosfera. a sua volta la litosfera oceanica si allontana da un lato e dall' altro della rift valley, si raffredda e diviene + pesante e si abbassa verso un nuovo equilibrio isostatico. contemporaneamente il materiale freddo comincia a discendere in profondita' e si immerge nel mantello iniziando a fondere e viene riassimilato( subduzione ). la prova di questa teoria e' stata scoperta nelle anomalie magnetiche : i fondi oceanici risultavano distribuite in fasce, di valore alternetivamente positivo o negativo, disposte parallelamente alle dorsali. cio' significa che la crosta oceanica non si e' formata tutta insieme, ma in tempi diversi come spiega l' espansione dei fondali oceanici.

la tettonica delle placche

alla fine degli anni '60 e' stata formulata la teoria della tettonica delle placche(prende in esame il comportamento della litosfera). le placche possono essere formate da sola litosfera oceanica, o da sola litosfera continentale, o dai due tipi. ogni placca e' delimitata da margini di diversi tipi : 1)margini costruttivi(le dorsali, lungo le quali si costruisce una nuova litosfera), 2)margini distruttivi(fosse oceaniche : la litosfera viene distrutta per subduzione), 3) margini conservativi(la faglie trasformi : lembi di litosfera scorrono uno accanto all' altra). se un continente finisce a ridosso di una fossa oceanica, e' costretto ad arrestarsi, perche' la litosfera continenetale, meno densa, non puo' sprofondare nel mantello. in questo caso sara' la crosta oceanica che forma la fossa a infilarsi sotto la litosfera continentale. il margine continentale viene deformato dal violento attrito contro la crosta oceanica. spinti da forze enormi, sedimenti oceanici, finiscono per saldarsi stabilmente ai margini del continente. i grandi volumi di magmi che risalgono finiscono per raggiungere il margine del continente sovrastante, formando batoliti di profondita' e alimentando vulcani. in questo ambiente la crosta si accresce( orogenesi: formazione di una nuova catena montuosa). altra situazione e' la collisione continentale : i 2 margini entrano in contatto e si deformano, scivolano uno sull' altro fino a che si saldano( si origina una catena montuosa). l' oceano che separa i due continenti in avvicinamento si riduce e il suo fondo riassimilato per subduzione, alcuni lembi del suo pavimento basaltico vengono strappati dalla collisione e si ritrovano sulla catena montuosa( ofioliti : basalti con struttura pillow, gabbri e peridotiti associati a sedimenti oceanici.

la fosse non sono forme stabili, vengono distrutte dalla collisione e se ne formano altre.. anche le dorsali sono forme mutevoli : se i movimenti nel mantello si modificano, l' espanzione si arresta e la dorsale diviene inattiva e si raffredda. gli stessi mutamenti nei moti del mantello possono far aprire una nuova dorsale. in tal caso la placca continentale sotto cui inizia a risalire materiale caldo si inarca e si frattura( stadio embrionale ). se il processo di espansione continua, i 2 margini continentali si allontananoe le lave continuano a risalire dal basso formando una prima striscia di nuova crosta oceanica, le acque dei mari vicini cominciano a invadere la depressione che si apre. prende forma cosi' il nuovo oceano(stadio giovanile). nella fase successiva l' oceano si amplia e il suo fondo si accresce. i due frammenti di continente sono trasportati lontano dal movimento delle placche su cui si trovano.

un possibile motore per la tettonica delle placche : celle convettive e punti caldi

cosa fa muovere il meccanismo delle placche? fino a 200km di profondita' il mantello e' freddo sotto i continenti e caldo sotto le dorsali oceaniche. si notano 2 regioni calde (africa e oceano pacifico), circondate da un anello di rocce fredde localizzate al di sotto dei continenti, come se i continenti fossero stati trascinati nella loro posizione attuale dallo sprofondamento di flussi freddi nel mantello. fino a che profondita' arrivano questi movimenti(mantello superiore o anche quello inferiore)? il nucleo esterno e' agitato da energici moti convettivi che trasferiscono il calore alla base del mantello. nel mantello inferiore si localizzano regioni a diversa termalita'. si suppone che dalle regioni + calde alla base del mantello si innalzino colonne di materiale caldo chiamate pennacchi che arriverebbero fino in superficie dove si manifestano nei punti caldi, caratterizzati da alto flusso termico e vulcanismo. tali punti appaiono fissi rispetto al movimento delle placche. i pennacchi pomperebbero calore dal nucleo alla superficie attraverso l' intero mantello. in tale prospettiva i movimenti delle placche sarebbero legati ai moti convettivi del mantello con interferenze dovuti alla risalita dei pennacchi. altro modello e' quello della circolazione a 2 livelli : una serie di celle convettive localizzate tra la zona di transizione e il tetto del mantello, e un altra tra la zona di transizione e il nucleo. i movimenti delle placche sarebbero collegati ai moti convettivi del mantello superiore. i punti caldi sarebbero alimentati dai pennacchi in risalita dalle zone di transizione.