Le cicatrici che la tettonica delle placche lascia nel mantello e la loro influenza sugli avvenimenti tettonici successivi

Una delle cose più curiose della tettonica a zolle è il ripetersi nelle stesse aree di cicli di apertura e chiusura di bacini oceanici. Negli anni passati è diventato normale pensare che in molti casi la crosta reagisce riattivando faglie preesistenti come reazione a nuove situazioni tettoniche: come un manufatto si rompe per dei suoi difetti, che causano delle debolezze, anche le vecchie faglie sono state normalmente considerate come linee di debolezza e di rottura preferenziale. Però certe cose non tornavano molto, in particolare la forte attività sismica all'interno di alcune placche. Di fatto, solo di recente è stata prestata attenzione al ruolo nella tettonica a zolle delle tante "cicatrici" presenti nel mantello, ricordo di margini di zolla ormai non più attivi da centinaia di milioni di anni, dei quali spesso esiste una traccia superficiale. Un lavoro sperimentale su materiali in laboratorio ha dimostrato che le discontinuità nel mantello superiore possono guidare la deformazione a livello crustale e superficiale (e, soprattutto, che sono quelle profonde la causa di quelle superficiali). Ci sono alcuni esempi interessanti nel passato e nel presente.

La Pangea nel Permiano: una zona di taglio interessa
l'area della catena ercinica da poco formatasi, da [1]

OCEANI CHE SI APRONO E SI CHIUDONO “DI CONTINUO”. Nel Carbonifero il continente meridionale di Gondwana si è saldato alla Euromerica formando il nucleo della Pangea. L'unione del Gondwana con la Laurasia (nome assunto dalla Euromerica dopo l'aggiunta dei blocchi che ora compongono buona parte dell'Asia) è durata pochissimo, come ho fatto notare in questo post: l’area orogenica è stata quasi immediatamente interessata nel Permiano dalla formazione di una faglia trascorrente (sul cui rigetto ancora ci sono opinioni contrastanti), e a partire dal Triassico ha subito uno smembramento da cui sono nate le attuali aree mediterranea e caraibica. Di fatto in quei momenti è iniziata la storia dell’Oceano Atlantico, che ha iniziato ad aprirsi in direzione E-W proprio lungo la giovane catena ercinica, frammentandola nella sua parte meridionale. Poi però l’apertura dell’oceano è proseguita in direzione N-S e vediamo come, in particolare, l’apertura dell’Atlantico Settentrionale abbia diviso la fascia orogenica paleozoica caledoniana, che troviamo in entrambe le sue sponde (con gli Appalachi negli USA e le Caledonidi in Scozia e Norvegia.

Questo episodio non è altro che l'ultima separazione fra Laurentia (il nucleo dell’America Settentrionale) e parecchie zone ora comprese nell’Europa, in particolare quelle che fanno parte di Baltica, che hanno visto nel passato ripetuti cicli di unione e separazione.

Questo si è verificato, come ho raccontato qui, anche all’interno di Baltica stessa oltre 2 miliardi di anni fa.

Il Mar Rosso e la Rift Valley si sono aperti lungo una delle fasce che compongono l’orogenesi panafricana, quella che ha formato il Gondwana.

In sostanza, in molti casi è provata una serie di aperture e chiusure di oceani più o meno fra le stesse masse continentali che erano andate precedentemente in collisione, e quindi certe aree della superficie terrestre sono più interessate di altre dagli eventi della tettonica a placche.

Dorsali oceaniche, faglie trasformi e trascorrenti, zone di subduzione e collisioni continentali spiegano i processi di deformazione rigida lungo i limiti delle varie placche che formano la litosfera terrestre. Di fatto i limiti di zolla rappresentano le fasce sismiche principali e più attive della Terra, ma non spiegano né le deformazioni, né la sismicità che in alcuni casi troviamo all’interno delle zolle. E neanche perché ad un certo punto una zolla si frattura fino alla formazione, talvolta, di un oceano.

È il famoso dilemma di “prima l’uovo o prima la gallina?” e cioè il continente si rompe perché vi arriva sotto materiale dal mantello inferiore o l’arrivo del materiale è dovuto alla decompressione provocata dalla rottura?

La distribuzione delle suture dell'ultimo miliardo di anni, in un lavoro del 1977 [2]

CICATRICI NEL MANTELLO: i dati di riflessione sismica hanno identificato in molte aree del mondo la presenza di vecchi piani di subduzione nella parte superiore del mantello, quella che forma insieme alla crosta alla litosfera. Le troviamo ad esempio nel Canada, nelle Alpi, nei Pirenei, nel Mare del Nord e nei suoi dintorni. Queste strutture arrivano parecchio in profondità; la loro presenza era già nota negli anni ‘90, ma fino ad oggi non hanno ricevuto la stessa attenzione che è stata rivolta alle discontinuità più superficiali.

Insomma, il mantello superiore è tutt’altro che omogeneo e queste discontinuità, che riflettono le onde sismiche. sono di tre tipi, ben sintetizzati da Steer, Knapp e Brown nel 1998 [3]:

• riflettori inclinati, come la struttura di Flamman, in Scozia, che è il residuo della zona di subduzione al lato della catena caledoniana. Alcuni di questi sono antichissimi, come quello sotto il golfo di Botnia
• riflettori diffusi o isolati, di difficile interpretazione
• riflettori orizzontali: potrebbero essere delle vecchie Moho, ma è probabile che siano la spia della presenza di corpi magmatici in profondità. Per esempio una struttura molto grande del genere a NE della Scozia potrebbe rappresentare le radici dei basalti della provincia magmatica dell'Atlantico settentrionale (NAIP), che al passaggio Paleocene - Eocene hanno preceduto l’apertura dell’Atlantico settentrionale o di quelli dello Skagerrak, messi in posto all'inizio del Carbonifero.

Una delle fasi della deformazione nel modello di
Heron et al 2016 [4] e rappresentazione della litosfera

Un gruppo di ricerca inglese ha illustrato con un articolo su Nature Communications, il cui primo autore è Philip J. Heron, i risultati di una serie di esperimenti in laboratorio con dei blocchi che simulano la litosfera terrestre, che hanno dimostrato come le discontinuità nel mantello superiore possano influenzare la tettonica a larga scala [4].

Insomma, le zone di sutura continuano ad avere nel tempo un potenziale preferenziale di tornare nuovamente ad essere limiti di zolla rispetto al resto della litosfera, e in qualche modo guidano i fenomeni che accadono in superficie.  

Questo non risolve purtroppo il dilemma dell'uovo e della gallina, che probabilmente ha soluzioni diverse caso per caso: in alcuni casi è la rottura che provoca il richiamo di materiale mantellico, mentre in altri è il materiale mantellico in risalita che provoca la rottura. Però, sicuramente, questa visione sposta considerevolmente il problema dal punto di vista della sua localizzazione, trasferendolo a profondità maggiori di quelle della crosta.

UN ESEMPIO PRATICO ATTUALE. Gli autori di questo lavoro passano poi sul pratico, portando un esempio piuttosto stringente, al limite settentrionale del Tibet, quello con il bacino del Tarim. Si tratta di un lineamento decisamente importante perchè corrisponde alla sutura lungo la quale si sono scontrati il blocco del Tarim e quello del Tibet nel Paleozoico superiore.

La cicatrice lasciata nel mantello superiore e cioè il contatto fra le due zolle è rimasta e così, quando l’India ha iniziato ad incunearsi nel continente asiatico la vecchia sutura ha ripreso la sua attività ed è diventata la faglia di Altyn Tagh, una trascorrente sinistra che assorbe gran parte della deformazione con un rigetto di centinaia di km: in pratica l’India preme sul Tibet, il quale a sua volta scorre lungo il vecchio limite di zolla con il Tarim, in direzione NE.

Se si considera tutta l’area come facente parte della placca euroasiatica si tratta dunque di un esempio di sismicità intraplacca, anche se il tutto avviene su un vecchio limite fra zolle.

Il limite Tibet - Tarim e la faglia di Altyn Tagh, da [5] 

ALTRI POSSIBILI ESEMPI ATTUALI. A questo punto mi metto io a proporre alcuni esempi che in qualche modo ricalcano quello di Heron e soci.
Il primo ci viene proprio dalla cronaca sismica recente. Parlo della sequenza sismica che ha scosso il Giappone meridionale nell'aprile scorso, di cui ho parlato qui. La sismicità di Kyushu si esplica intorno alla linea tettonica mediana. Come nel caso della faglia di Altyn Tagh anche qui abbiamo una vecchia cicatrice di uno scontro fra zolle che viene ripreso come faglia trascorrente. 

Il secondo è di pochi anni più vecchio: già nel 1984 alcuni Autori avanzarono l’idea che la zolla indo - australiana si stia rompendo per le diverse condizioni tettoniche tra la sua parte occidentale, con l’India che si incunea nel continente Euroasiatico, la zona centrale che si sta scontrando con l’Eurasia in Indonesia e quella orientale, dalle dinamiche complessissime tra Nuova Zelanda, isole Tonga e Nuova Guinea [6]. Una conferma di questa ipotesi è venuta con il terremoto del 11 aprile 2012, dalla magnitudo record per un evento trascorrente (8.7!), il quale non è avvenuto proprio lì per un puro caso, ma perché lì c'è una dorsale medio-oceanica ormai inattiva (e dalla vita breve), che ovviamente è l'espressione superficiale di una cicatrice profonda. 
Probabilmente sono le stesse tensioni che provocano dei forti terremoti all'interno dell'Australia, che negli ultimi 40 è stata colpita da una serie di numerosi eventi a M spesso superiore a 6 (questi eventi avvengono in pieno deserto, e quindi nessuno se li fila fra i media non scientifici e non lasciano un forte ricordo). In questa figura vediamo due carte:

• a destra una carta strutturale del continente - isola
• a sinistra quella della sismicità ricavata con l’Iris Earthquake Browser: sono indicati i sismi a M uguale o maggiore di 5 dal 1970.

Si può facilmente notare come questi eventi si addensino lungo degli orogeni antichissimi: 

• nella parte centrale del continente lungo l’orogene di Paterson, vecchio di oltre 500 milioni di anni
• nella parte SW lungo l’orogene di Albany–Fraser e quello di Pinjarra, che di anni ne hanno oltre un miliardo

Evidentemente queste zone ancora oggi mostrano una certa debolezza che si manifesta in quanto la zolla indo - australiana ha parecchie tensioni interne.e i motivi dei grandi terrmotn nuovo studio sulle radici profonde della riattivazione di vecchie strutture: Non ho trovato grossi dati in rete ma immagino che anche a questi orogeni corrispondano nel mantello sottostante delle cicatrici.

E VENIAMO ORA ALL'ITALIA. C'è dalle nostre parti qualcosa di simile? In un Paese dove geologicamente c'è praticamente di tutto, di faglie che riprendono vecchie debolezze il nostro territorio è probabilmente fra quelli più forniti, ma ce n'è in particolare una, la scarpata ibleo - maltese che ci interessa per questo ragionamento: oggi provvede a limitare la zona di subduzione dell'arco Calabro - Peloritano come transfer fra la crosta continentale siciliana e il piano di subduzione dell'arco calabro - peloritano, ma già nel Triassico aveva la sua funzione di collegamento fra la crosta continentale e quella jonica. 
Già questo secondo particolare ci dice che siamo davanti ad una struttura ben radicata in profondità (e, probabilmente, l'apertura di quel settore della Tetide è avvenuto lungo una linea di debolezza ancora preesistente). Anche la scarpata ibleo - maltese, quindi, ha i numeri per essere l'espressione superficiale di una cicatrice ben più profonda.

[1] Muttoni et al 2003 Early Permian Pangea ‘B’ to Late Permian Pangea ‘A’Earth and Planetary Science Letters 215 (2003) 379-394
[2]Burke, Dewey e Kidd (1977) World distribution of sutures — the sites of former oceans. Tectonophysics 40, 69-99
[3] Steer et al (1998). Super-deep reflection profiling: exploring the continental mantle lid. Tectonophysics 286, 111,121
[4] Heron et al (2016). Lasting mantle scars lead to perennial plate tectonics. Nature communications DOI: 10.1038/ncomms11834
[5] Gillespie et al (2015). Mesozoic reactivation of the Beishan, southern Central Asian Orogenic Belt: Insights from low-temperature thermochronology. Gondwana Research (in press)
[6] Wiens et al (1986). Plate tectonic models for Indian Ocean “intraplate” deformation. Tectonophysics 132, 37-48