Un fattore sottovalutato
Il movimento delle placche della crosta terrestre dipende in larga misura dal comportamento delle rocce del mantello sottostante. Un nuovo studio all'ETH dimostra che la granulometria di queste rocce gioca un ruolo centrale.
Il volto della nostra Terra è modellato da forze che si trovano nelle sue profondità. Queste fanno sì che le placche della crosta terrestre vengano spinte l'una contro l'altra e che lungo le zone di collisione si formino montagne e vulcani. Ma ciò che accade esattamente all'interno della Terra può essere ricostruito solo attraverso osservazioni indirette, per esempio con esperimenti di pressione sulle rocce del mantello terrestre o analizzando le onde sismiche.
Punto debole del modello
Tuttavia, tutte queste osservazioni forniscono solo delle istantanee. Se si vuole comprendere la dinamica degli eventi nell'arco di diversi milioni di anni, è necessario disporre di modelli al computer che possano essere utilizzati per simulare i processi geologici in rapido movimento. Se questi modelli vengono alimentati con i dati di osservazione e le formule fisiche di cui sopra, è possibile mostrare come la superficie e l'interno della Terra cambiano nel tempo.
Il nocciolo della questione è che ogni modello si basa su semplificazioni ed è quindi soggetto a errori. Anche fattori che a prima vista non sembrano particolarmente importanti possono avere un'influenza decisiva, come dimostra un nuovo studio del Gruppo di geologia strutturale e tettonica del Dipartimento di scienze Terrestri dell'ETH. Con le loro nuove simulazioni, i ricercatori sono in grado di dimostrare che un fattore decisivo, la granulometria delle rocce del mantello, non è stato adeguatamente preso in considerazione nei modelli precedenti, anche se è riconosciuto che ha un effetto potenziale. Le nuove simulazioni mostrano ora quanto sia grande l'effetto della granulometria.
Spostamento o diffusione?
La granulometria è importante perché influenza il modo in cui le rocce del mantello superiore della Terra si deformano. Se la dimensione dei grani è di pochi millimetri, i minerali delle rocce si deformano principalmente spostando il reticolo cristallino dei minerali lungo i piani. Questo porta al cosiddetto dislocation creep, che è considerato il meccanismo più importante di deformazione delle rocce nel mantello terrestre.
Se la dimensione dei grani è più piccola, tuttavia, un altro meccanismo diventa più importante: lo scorrimento per diffusione. Le rocce non sono più deformate da dislocazioni nel reticolo cristallino dei minerali, ma da singole vacanze atomiche nel reticolo cristallino che migrano attraverso la struttura cristallina. La resistenza delle rocce cambia a seconda del meccanismo di deformazione che prevale.
Molte domande in apertura
"Le rocce a grana fine si formano principalmente nelle zone di taglio e sono molto più morbide delle rocce a grana grossa non deformate", spiega Jonas Ruh, assistente in capo del gruppo e autore principale dello studio. "Tuttavia, non è stato ancora possibile modellare realisticamente queste differenze in un modello dinamico". Alcuni dei modelli precedenti tenevano conto solo dello scorrimento delle dislocazioni, il che rappresenta una grossolana semplificazione. Altri modelli utilizzano granulometrie costanti per le rocce del mantello superiore, il che non rende giustizia alla questione.
Per il suo nuovo modello, Ruh ha preso in considerazione gli studi attuali di altri gruppi e gli esperimenti di laboratorio del suo gruppo di ricerca. "In particolare, abbiamo incluso nel nostro modello un nuovo modello di crescita per il minerale principale, l'olivina", spiega. "E sulla base di nuovi studi, ora sappiamo anche che nelle zone di taglio è disponibile molta meno energia meccanica per ridurre la dimensione dei grani rispetto a quanto ipotizzato in precedenza". Tenendo conto delle nuove scoperte, gli eventi nel mantello terrestre possono essere modellati in modo molto più realistico.
La contraddizione si dissolve
Ruh è riuscito a dimostrare che la riduzione delle dimensioni dei grani, l'attivazione del creep di diffusione e il conseguente indebolimento del mantello superiore possono facilitare la disgregazione dei continenti.
Tuttavia, il nuovo studio è stato spinto da un'altra costellazione di tettonica a placche apparentemente paradossale: sappiamo che la zona superiore del mantello terrestre deve essere relativamente solida. Questo è l'unico modo per spiegare perché le placche tettoniche che vengono spinte sotto un'altra placca non scendono in profondità con un angolo più ripido.
Ma se questa regione del mantello è solida come richiede la geometria delle placche in subduzione, le rocce del mantello superiore dovrebbero comportarsi in modo fragile a causa delle grandi tensioni che vi prevalgono: In questa zona del mantello terrestre dovrebbero verificarsi terremoti che rilasciano le tensioni in modo sussultorio. Tuttavia, tali terremoti sono stati osservati solo molto raramente fino ad oggi.
Il paradosso può ora essere risolto con il nuovo modello: "Le forti sollecitazioni sono alleggerite dalle zone di taglio a grana fine e morbida in misura tale che i terremoti non possono più verificarsi", spiega Ruh. "Allo stesso tempo, la zona superiore del mantello terrestre rimane abbastanza solida da essere compatibile con la geometria osservata delle placche in subduzione".
Riferimento alla letteratura
Ruh JB et al. Controlli sull'evoluzione granulometrica dell'indebolimento litosferico durante il rifting continentale. Nature Geoscience, 16 giugno 2022. DOI: pagina esterna10.1038/s41561-022-00964-9