Principi e metodi della tettonica delle placche

Capitolo1: La tettonica delle placche: meccanismi e modalitàAllan Cox Robert Brian Hart

Zanichelli

Letture consigliate: Cox A. & Hart R.B., La tettonica delle placche. Meccanismi e modalità. Zanichelli. Capitolo 1.

Partiamo dal presupposto (come i nostri antenati) che la Terra sia piatta). Primo, perché la geometria su un piano è un po’ più semplice che su una sfera; secondo, perché su un’area ristretta la superficie terrestre può essere considerata piana. Iniziamo, come fece Wilson quando scrisse il suo articolo nel 1965 su Nature tagliando dei pezzi di carta e muovendoli sul piano del tavolo.

Proviamo a cambiare la direzione di movimento della placca triangolare e vediamo cosa succede…

FAGLIE TRASFORMI

Plates move relative to each other. To describe their motion on the surface of a spherical Earth, one needs to use Euler’s ‘fixed point’ theorem, which can be stated as: “The most general displacement of a rigid body over the surface of a sphere can be regarded as a rotation about a suitable axis which passes through the centre of that sphere. “Thus all plate motions can be described by a rotation axis, which passes through the centre of the Earth and cuts the surface at two points, called the poles of rotation. The relative motion of two plates then needs a pole of rotation and an angular velocity to be defined.

These can be determined in a number of ways including direct measurements using satellite laser ranging, or very-long baseline interferometry (VLBR) which uses the signal from quasars and terrestrial radio telescopes as receivers. The basic geometry of plate motions has been thoroughly analysed, and discussed in a number of classic papers, eg McKenzie & Morgan, Nature, 224, p 125-133, 1969 but see Cox and Hart for a detailed discussion of the geometry of plate tectonics.

Metodi geodetici

Queste misurazioni vengono eseguite al di qua e al di là di un margine di placca. Questi sistemi si servono di satelliti artificiali, raggi laser e radiotelescopi.

In addition to discussing the relative motions of plates, one can also define plate motion relative to the Hot-Spot Reference Frame. Modern research shows that the hot spot reference frame is not exact, as hot spots drift at a velocity of ~5 mm per year.

Isocrone e velocità

Nella tettonica delle placche, il cronometro usato per determinare le isocrone sul fondo del mare è fornito dal campo magnetico terrestre. Per almeno due miliardi di anni il campo si è spostato avanti e indietro (da normale a inverso) a intervalli regolari brevi (20000 anni) o lunghi (fino a parecchie decine di milioni di anni o più).

AVB = Δx/ Δt

Dorsali e rialzi (rise) oceanici

Perché le dorsali sono coperte di nude rocce vulcaniche vicino alla cresta e di sedimenti lungo i fianchi? Perché hanno terremoti e alto flusso di calore lungo la cresta? Perché si trovano al centro del bacino dell’Atlantico ma spostate ai lati negli Oceani Indiano e Pacifico? Che età hanno?

I pendii delle dorsali a espansione veloce sono meno ripidi di quelli delle dorsali a espansione lenta.

• L’assenza di roccia sedimentaria sulla cresta della dorsale è dovuta al fatto che la roccia è troppo giovane perché vi sia accumulo di sedimento

Come si spiega la topografia pronunciata

• Compensazione isostatica• Z = C √T dove Z è il tratto pari al quale è

sprofondato il fondo oceanico, T è l’età espressa in Ma, C è una costante che risulta essere all’incirca C=300

• La profondità del fondo marino dipende dalla sua età e non dalla distanza dalla dorsale.

• I pendii delle dorsali ad espansione veloce sono più ripidi di quelli delle dorsali ad espansione lenta.

Come hanno inizio i rialzi

Formazione del bacino Atlantico per rifting che inizia dove un pennacchio di mantello caldo sale sotto il supercontinente dell’Africa e dell’America del Nord. Via via che il rift si allarga, i sedimenti erosi dai continenti si depositano sui bordi posteriori o passivi dei continenti stessi.

From seismic studies of the oceanic plates, the boundary between the lithosphere and asthenosphere is often taken as the 4.3 kms-1 S-wave velocity contour. This boundary is often associated with the point at which partial melting starts and the low velocity zone (LVZ) begins. In this context therefore, the base of the lithosphere can be defined by an isotherm (~1400 C).

Fosse oceaniche e archi insulari

I sismologi scoprirono che la maggior parte dei sismi profondi della Terra ha origine in fasce vicino alle fosse.

Ed il mistero si infittì quando i geologi si accorsero che sullo stesso lato della fossa in cui si trova la fascia dei terremoti profondi c’è anche quasi sempre una fascia di vulcani attivi. Inoltre, questi vulcani hanno una mineralogia e un chimismo, detti andesitici, diversi da quelli dei vulcani che si formano lontano dalle fosse. Infine, misurando la gravità con dei sottomarini, i geofisici scoprirono che il campo gravitazionale sulle fosse è minore di quello che ci si aspetterebbe in base alla distribuzione nota delle rocce e dell’acqua nella fossa e attorno a essa.

Piani o zone di Benioff-Wadati

Una fossa è un luogo in cui la litosfera oceanica si incurva verso il basso e si immerge nell’astenosfera sotto una placca sovrascorrente: processo di subduzione. La piastra di litosfera che sprofonda tende a portare con sé le sue isoterme. Di conseguenza, la piastra rimane più fredda dell’astenosfera e abbastanza fraglie da generare terremoti, che sono in sostanza dei rilevatori acustici che delineano la posizione della piastra in subduzione. La fascia di bassa gravità lungo la fossa riflette il fatto che in essa il fondo marino viene tirato in basso attivamente dalla dinamica della subduzione.

• Nella convezione normale di un fluido, questo si muove simmetricamente da entrambi i lati verso la zona di discesa. Nella tettonica delle placche, solo una delle due placche si immerge nell’astenosfera.

Placca in subduzione Placca superiore Esempio

Oceanica Oceanica Marianne

Oceanica Continentale Perù

Continentale Continentale Himalaya

Continentale Oceanica ?

Il processo di subduzione

La litosfera, affondando nell’astenosfera, porta con sé le sue isoterme fredde producendo un’inflessione verso il basso del confine isotermico litosfera-astenosfera.

Le zone di frattura

Principali zone di frattura con terremoti (linee spesse) e senza (linee tratteggiate).

Le zone di frattura

Perché gli ipocentri dei terremoti sono localizzati solo lungo le zone di frattura che collegano segmenti di dorsale e non lungo le zone di frattura lontane dai segmenti di dorsale?

Le faglie trasformi

Che età hanno le rocce in corrispondenza delle dorsali?

La plate tectonics spiega l’attività tettonica e sismica come una conseguenza dell’interazione di un limitato numero di placche rigide, i cui contorni sono evidenziati dalle fasce sismiche presenti nel globo (Mckenzie e Parker, 1967; Morgan, 1968; Isacks et al., 1969; Le Pichon, 1968).

La cinematica delle placche

Breaks and compression ridges in Arctic Sea ice provide analogs for the movements of Earth’s crustal plates. The break, exposing open water, mimics oblique spreading and becomes a ‘transform’ boundary in the upper left. The rift in the ice broke across a compression ridge. Another compression ridge, where thin blocks of sea ice collide with one another, can be seen in the upper right. The compression ridges mimic subduction or collision zones. One could argue that they are better analogs for collision zones because the two pieces of ice are about the same density. Sometimes, though, one slab of sea ice underthrusts the other, which is analogous to the Indian continent underthrusting Asia to produce the High Himalayas and Tibetan Plateau. One might envision the compression ridge, in the upper right, and smooth area behind it as analogs to the High Himalayas and Tibetan Plateau. (Refer to Slide 15.4/2e.)It has been said that the interactions of flowing sea ice provided Alfred Wegener a model (or at least a metaphor) for continental drift. To Wegener, the continents were like icebergs floating on an “ocean” of denser rock material in the mantle (Marvin, 1973). Wegener spent 18 months living on the edge of the Greenland ice cap.

 

Photograph by Yar PetryszynUnderstanding Earth, Frank Press & Raymond Siever 

Il meccanismo dell’espansione e i margini divergenti

Margini divergenti

Il Mar Rosso, ancora privo di dorsale, è l'esempio di una oceanizzazione allo stadio giovanile, in propagazione verso nord.

Margini divergenti

Margini convergenti

Quando la placca oceanica più densa va in subduzione al di sotto di quella continentale (es. Marianas trench or Andes).

Margini convergenti

200 km

In August 1993, a 7.7 magnitude earthquake occurred near Guam at the southern end of the Marianas Trench. This was a thrust event in the upper part of the subducting slab and was an unusually large earthquake for the region. East of Guam the strike of the subducting slab changes from north-south to east-west and it dips to the north at a shallow angle, compared to the dip of the Benioff Zone to the north. The geometric constraints on movement along the plate boundaries near Guam may favor seismic events of larger magnitude.

Margini convergenti

Margini trasformiSi creano quando le placche si muovono l’una rispetto all’altra orizzontalmente. Accade lungo le dorsali oceaniche, che sono interrotte e dislocate dalle faglie trasformi (es. Faglia di San Andreas lungo la costa Pacifica del N.A.)

Sismicità della Sicilia e delle aree adiacenti

profondità (km)

Placca Eurasiatica

Placca Africana

Placca Eurasiatica

Placca Africana

La Sicilia nella morsa delle placche …