Geodinamica Terrestre: Processi, Struttura e Tettonica a Placche

Il Ciclo delle Rocce

Il Ciclo delle Rocce è l'insieme dei processi che modificano e trasformano le rocce in sedimenti e, di nuovo, questi sedimenti in rocce. In superficie, la Terra è soggetta all'erosione delle rocce e alla loro trasformazione in sedimenti, trasportati da agenti geologici e accumulati nei bacini sedimentari. All'interno della crosta terrestre, i materiali subiscono pressione e temperatura elevate, e i sedimenti diventano rocce.

Fattori di Cambiamento nella Crosta Interna

• Pressione: la pressione dovuta al peso delle rocce aumenta rapidamente con la profondità.
• Temperatura: aumenta con la profondità, di circa 3 °C ogni 100 m.
• Sforzi di compressione e distensione: prodotti dai movimenti del mantello.

Questi sono i tre fattori importanti che causano cambiamenti nei materiali presenti nella crosta interna.

Processi di Trasformazione

• Diagenesi: trasformazione dei sedimenti in rocce sedimentarie a causa della pressione e della temperatura, con produzione di cementazione e compattazione dei componenti del sedimento.
• Metamorfismo: una serie di cambiamenti che si verificano nelle rocce a temperature e pressioni elevate, senza fusione, formando poi rocce metamorfiche.
• Magmatismo: fusione delle rocce che costituiscono il magma, formando rocce magmatiche.

Fonti di Calore Interno

• Gradiente geotermico: aumento di temperatura che si verifica all'interno della Terra.
• Impatti di meteoriti: l'energia cinetica viene trasformata in energia termica.
• Disintegrazione di elementi radioattivi: le particelle subatomiche aumentano l'energia termica.
• Decantazione dei materiali più densi: principalmente ferro.

Struttura Interna della Terra

Stratificazione

Crosta Terrestre

Sottile strato di roccia solida. Due tipi:

• Crosta continentale: composta da granito.
• Crosta oceanica: composta da basalto e gabbro.

Mantello

Roccia composta da peridotite. Si divide in:

• Mantello superiore
• Mantello inferiore

Nucleo

Metallico. Composto da sideriti. Si divide in:

• Nucleo esterno: liquido.
• Nucleo interno: solido.

Discontinuità Sismiche

Aree all'interno della Terra in cui si verifica un cambiamento nella velocità di propagazione delle onde sismiche, prodotto da un cambiamento nella composizione dei materiali o del loro stato.

• Mohorovičić: tra crosta e mantello (40-50 km).
• Repetti: tra mantello superiore e inferiore (670 km).
• Gutenberg: tra mantello e nucleo esterno (2900 km).
• Lehman: tra nucleo esterno e interno (5150 km).

Litosfera

La parte più esterna del mantello superiore è saldamente attaccata alla crosta, formando una litosfera rigida.

• Litosfera continentale: crosta continentale e parte superiore del mantello.
• Litosfera oceanica: crosta oceanica e parte superiore del mantello.

Teorie Geologiche e Movimenti della Terra

Teorie Fissiste

Negano lo spostamento orizzontale dei continenti.

Teoria Contrazionista

Suggerisce che creste e increspature si siano formate dalla contrazione e raffreddamento della Terra.

Teorie Mobiliste

Accettano lo spostamento orizzontale dei continenti.

Deriva dei Continenti (Alfred Wegener)

Circa 300 milioni di anni fa, le masse continentali erano unite in un supercontinente chiamato Pangea. Pangea si divise in due grandi blocchi:

• Laurasia: comprendeva Europa e Asia settentrionale.
• Gondwana: comprendeva Africa, Sud America, Antartide, Australia e India.

Prove a Favore

• Geografiche: la corrispondenza tra le coste dell'Africa e del Sud America.
• Paleontologiche: fossili simili trovati in continenti diversi.
• Paleoclimatiche: presenza di tilliti (depositi glaciali antichi) in aree oggi calde.
• Geologiche: studio delle rocce e delle strutture geologiche corrispondenti.

Astenosfera e Correnti di Convezione

L'isostasia (J. Barrell) e le correnti di convezione (Holmes) causano instabilità. Le correnti si verificano quando un fluido viene riscaldato dal basso: il fluido caldo si espande, la sua densità diminuisce e tende a galleggiare, formando correnti ascensionali. Il fluido più freddo e denso sopra spinge la corrente, facendola affondare (correnti discendenti). Il nucleo è più denso della roccia del mantello, quindi non si mescolano. Entrambi sono manifestazioni di convezione nella Terra: magnetismo, convezione, deriva dei continenti, vulcanismo, sismicità, separazione dei materiali per densità.

Espansione del Fondo Marino (Harry Hess)

Hess propose che le dorsali fossero aree dove nuova crosta oceanica veniva creata e spinta lateralmente, causando l'espansione dell'oceano. L'età delle rocce basaltiche supporta questa ipotesi. L'Oceano Atlantico si è aperto, separando i continenti orientali (Europa e Africa) da quelli occidentali (Nord e Sud America), e ha continuato a crescere e ad allargarsi. La velocità di espansione nel corso della sua storia poteva essere calcolata da campioni prelevati da navi di prospezione sismica. Studi geofisici hanno dimostrato che non era l'intera litosfera a scivolare, ma che era trascinata dalle correnti di convezione.

Strisce Magnetiche sul Fondo Oceanico (Vine e Matthews)

Dal XX secolo si sa che il campo magnetico terrestre è instabile e che la sua polarità si inverte periodicamente. Le inversioni del campo magnetico sono registrate nelle rocce vulcaniche contenenti minerali come la magnetite. Quando la lava si consolida, i cristalli di magnetite si orientano in direzione nord-sud. L'interpretazione fornita da Vine e Matthews nel loro articolo ha definitivamente chiuso la questione a favore delle teorie della tettonica a placche.

Tettonica a Placche

Ci sono importanti differenze con la deriva dei continenti proposta da Wegener. La tettonica a placche si riferisce alla litosfera che viene trascinata dal movimento convettivo sotto il mantello. Sebbene le sue argomentazioni a favore della mobilità continentale fossero corrette, le prove sulla Pangea e la deriva dei continenti rimangono valide e sono state confermate. Quando Barrell propose l'astenosfera, non si credeva che ci fosse un livello su cui la litosfera potesse scivolare, ma si cercava una spiegazione per i movimenti isostatici. Con lo sviluppo della tettonica a placche, questo strato plastico ha riacquistato importanza. Inizialmente, gli si attribuiva un ruolo importante nel movimento della litosfera. Ma nel 1990 si capì che l'astenosfera non era dove doveva essere; non c'era uno strato plastico continuo sotto la litosfera. Ora gli studi hanno dimostrato che la convezione interessa l'intero mantello sotto la litosfera. La convezione nel mantello è la causa del movimento delle placche litosferiche.

Prove della Tettonica a Placche

Piano di Benioff

Nel 1950, Benioff scoprì che i terremoti che si verificavano sulla costa del Pacifico degli Stati Uniti avevano una distribuzione particolare: quelli con epicentro superficiale erano vicini alla costa, mentre quelli più profondi si trovavano nell'entroterra, come se fossero su un piano inclinato chiamato Piano di Benioff. Secondo la teoria della tettonica a placche, il piano di Benioff corrisponde alla superficie di una placca litosferica che affonda sotto un continente o un'altra placca oceanica. Le catene montuose nel mantello sotto le catene montuose sono il risultato della collisione di placche tettoniche. La tettonica a placche fornisce il meccanismo che Hutton cercava.

Placche Litosferiche

La litosfera è uno strato misto formato dalla crosta e dal mantello superiore (circa 100 km). È divisa in:

• Placca continentale: crosta continentale + parte del mantello superiore.
• Placca oceanica: crosta oceanica + parte del mantello superiore.
• Placca mista: crosta oceanica + crosta continentale + parte del mantello superiore.

Le correnti convettive nel mantello sono responsabili dei movimenti delle placche.

Bordi delle Placche

• Bordi Convergenti (di subduzione): dove una placca si immerge sotto un'altra, formando fosse oceaniche.
• Bordi Divergenti (di accrescimento): dove le placche si allontanano, formando dorsali oceaniche.
• Bordi Trasformi (di scorrimento laterale): dove le placche scorrono l'una accanto all'altra, formando faglie trasformi.

Bordi Costruttivi (Dorsali Oceaniche)

• Sono fratture da cui emerge materiale caldo del mantello.
• Il vulcanismo superficiale produce grandi volumi di basalto, formando nuova crosta oceanica.
• Le correnti di convezione divergenti causano sforzi estensionali che tendono a separare i lati della frattura.
• La pressione del magma che sale dall'interno solleva i due lembi della frattura, formando il rilievo della dorsale.
• Tra i due bordi si trova la frattura della Rift Valley, una depressione dove l'acqua dell'oceano si infiltra facilmente. A contatto con rocce incandescenti a pochi metri di profondità, si formano sorgenti idrotermali.

Bordi Conservativi (Faglie Trasformi)

• Le dorsali sono a zig-zag, discontinue. Spesso una dorsale si interrompe e continua a pochi km più a sinistra o a destra.
• Quando ciò accade, si forma una faglia trasforme, che indica che la zona di espansione del fondo marino non è di taglio.
• La caratteristica principale di queste faglie è un movimento di taglio molto attivo che produce una forte sismicità.
• Le dorsali oceaniche, gli altipiani continentali e le aree vulcaniche attive più grandi del mondo sono dorsali oceaniche. Hanno due elevazioni parallele, con un taglio perpendicolare dovuto alle faglie trasformi.
• Le faglie delle dorsali sono in realtà zone dove la crosta è molto sottile e fratturata a causa dell'alleggerimento della pressione esercitata dal magma sottostante.

Bordi Distruttivi (Zone di Subduzione)

Nelle zone di subduzione, la litosfera oceanica si curva e si immerge nel mantello. Sono zone di distruzione della litosfera. La subduzione oceanica è sempre oceanica, ma la placca prevalente può essere oceanica o continentale. Processi simili si verificano:

• Distruzione della litosfera oceanica.
• Magmatismo.
• Orogenesi (ispessimento della placca prevalente che crea un arco insulare o un orogene vulcanico).
• Metamorfismo termico.
• Intensa sismicità causata dalla spinta della placca in subduzione.

La subduzione è la formazione di correnti convettive discendenti di litosfera oceanica.

Caratteristiche delle Zone di Subduzione

• Si trova negli oceani.
• La placca in subduzione non è chiamata placca principale e può essere continentale o oceanica.
• La placca in subduzione si piega formando una profonda e lunga trincea oceanica.
• Nella trincea si accumula un grande spessore di sedimenti. Se i sedimenti sono compressi contro la placca principale, vi si attaccano e formano un prisma di accrezione.
• Sono aree con alta sismicità.
• La placca in subduzione subisce una fusione parziale, contribuendo con magma alla base della placca principale, producendo manifestazioni magmatiche.
• La spinta della placca in subduzione comprime la placca prevalente, causando un orogene vulcanico.
• Nelle zone di subduzione, l'interazione della placca oceanica in subduzione e della placca prevalente produce vulcanismo e sismicità.

Orogenesi e Fenomeni Associati

Orogeni da Collisione

Si verificano quando due placche continentali collidono. Una delle placche stava subducendo e il movimento di convergenza si ferma. Numerosi processi si verificano:

• Aumento dello spessore della litosfera continentale.
• I sedimenti accumulati tra le due placche prima della collisione vengono deformati, rotti e accatastati nella zona di sutura tra le placche, formando un orogene da collisione.
• Si verifica un aumento isostatico dell'orogene.
• Compressione dovuta all'urto e all'attrito tra le placche.
• Magmatismo e metamorfismo prodotti dalla collisione in entrambe le placche.
• Questi processi innescano ampie fratture, sismicità di grandi dimensioni e la formazione di creste per l'orogene.
• Sono catene montuose la cui origine è legata alle aree e ai movimenti delle placche di subduzione.

Archi Insulari

Dove la placca oceanica subduce sotto una placca prevalente, si forma un orogene che si manifesta come un aumento lineare del bordo, un arcipelago di isole vulcaniche chiamato arco insulare. Queste sono aree di intensa sismicità. Si formano dall'ispessimento della placca assoluta che viene compressa dalla subduzione e anche a seguito del vulcanismo.

Orogeni Vulcanici (Termici)

Se la placca continentale principale è costituita dal suo bordo, si formano rilievi vulcanici (es. le Ande). Il calore nella zona della trincea di subduzione oceanica fa sì che i sedimenti vengano compressi contro la scarpata continentale e si attacchino ad essa per formare un prisma di accrezione.

Orogeni da Accrezione

La crosta continentale è formata principalmente da rocce metamorfiche e granitiche. I continenti sono spinti passivamente dall'espansione del fondo marino che si verifica nelle dorsali e nel loro movimento di deriva. Quando frammenti di crosta oceanica o archi insulari collidono e si attaccano a un continente, si forma un orogene da accrezione.

Orogeni Intraplacca

Si verificano quando la compressione dovuta a una collisione tra continenti si estende all'interno della placca. Questo favorisce frequenti faglie che sono all'origine dei terremoti. Se all'interno del continente esiste un bacino sedimentario (es. una spaccatura inattiva), i sedimenti accumulati vengono piegati e compressi, sollevandosi. Così, l'orogenesi avviene all'interno della placca continentale. Questi orogeni tendono ad essere lineari e conservano in modo vago la forma del bacino originario.

Pennacchi Termici e Punti Caldi

I pennacchi termici sono colonne di materiale roccioso caldo che sale dal mantello verso la superficie. Se sono all'origine di una zona di intenso vulcanismo, sono chiamati punti caldi. La soliflussione è il comportamento di un materiale solido che può apparentemente fluire lentamente. Il mantello ha al suo interno soliflussione. I pennacchi termici sono rocce calde che salgono a velocità di pochi centimetri all'anno. Quando raggiungono la superficie, originano punti caldi vulcanici attivi. Ci sono tre tipi:

• Arcipelaghi di origine vulcanica.
• Dorsali oceaniche.
• Altipiani vulcanici continentali.

Quando un pennacchio termico si trova sotto la litosfera, la rigonfia, ma il vulcanismo si manifesta precocemente e forma un arcipelago di origine vulcanica.

Raffreddamento del Pennacchio Termico Convettivo

• Conduzione di calore alla litosfera: si verifica magmatismo.
• Vulcanismo che porta alla dilatazione dei materiali: le rocce che formano il pennacchio si espandono quando raggiungono una zona di minore pressione.
• Quando il materiale si raffredda, crolla di nuovo nel mantello come discendenze.

Deformazioni Tettoniche delle Rocce

Tipi di Deformazione

• Deformazione elastica: deformazione reversibile, si verifica durante il passaggio delle onde sismiche.
• Deformazione plastica: piegatura delle rocce, si verifica sotto sforzo di compressione sostenuto.
• Deformazione fragile: rottura delle rocce. Si verifica quando uno sforzo compressivo o estensionale supera la capacità di assorbimento plastica o elastica.

Pieghe

Elementi Geometrici di una Pieghe

• Cerniera: parte in cui gli strati hanno la curvatura maggiore.
• Fianchi: le parti su entrambi i lati della cerniera.
• Nucleo: parte centrale della piega.
• Piano assiale: il piano immaginario che passa attraverso la cerniera.

Tipi di Pieghe

• Anticlinali: gli strati più moderni avvolgono quelli più antichi.
• Sinclinali: gli strati più antichi sono avvolti da quelli più moderni.

Deformazione Fragile: Diaclasi e Faglie

Diaclasi

Le diaclasi sono fessure prodotte da:

• Ritiro: proveniente da argilla e fango quando si seccano e si screpolano.
• Gelifrazione: l'effetto del cuneo di ghiaccio dell'acqua nelle fessure delle rocce.
• Disgiunzione colonnare: quando la lava si raffredda.
• Decompressione: le rocce che si originano in un interno della crosta ad alta pressione si espandono e si fratturano salendo alla superficie a causa dell'erosione del rilievo.

Faglie

Sono rotture delle rocce in cui c'è uno spostamento dei blocchi o dei labbri. Il piano di rottura è chiamato piano di faglia.

Tipi di Faglie

• Dirette o di gravità: dovute a sforzi estensionali.
• Inverse: dovute a sforzi compressivi.
• Trascorrenti o di scorrimento: dovute a sforzi di taglio.

Faglie di Spinta (Sovrascorrimenti)

Una faglia quasi orizzontale in cui l'alloctono (labbro superiore) si sposta da centinaia di metri a decine di km.