giovedì 27 luglio 2017

I problemi della ricostruzione delle zone dei terremoti del 2016 e le priorità da seguire: quello delle macerie non è il problema più impellente



Come ho scritto nel post precedente, ho partecipato al convegno internazionale "Three destructive Earthquakes along the Central Apenninic fault system", organizzato fra il 19 e il 24 agosto molto bene dall’Università di Camerino. Prima di descrivere la geologia di questi eventi ritengo però opportuno fare il punto della situazione civile, dato che uno degli scopi che mi ero prefissato era proprio quello di apprendere direttamente e in modo preciso come stessero le cose, presupponendo che la realtà che si ricava dai media sia decisamente incompleta se non distorta. Inaspettatamente, è venuta fuori una scala di priorità di interventi che è diversa dalla percezione che si ha stando fuori, in particolare che ora come ora la questione delle macerie non è quella essenziale. Insomma, le notizie che arrivano dalle zone terremotate sono contraddittorie, perché spesso viziate, nel bene e nel male, dalla faziosità politica e dalla scarsa conoscenza di quello che succede. Un altro problema fondamentale per il futuro è l’oblio: a poco a poco su questa vicenda si stanno spegnendo i riflettori (i media ne parlano solo in caso di nuove, sia pure minori scosse). Ritengo doveroso, invece, tenere alta l’attenzione dell’opinione pubblica sulla situazione nel cratere, cercando di essere obbiettivi, perché il vero servizio è quello di descrivere le cose come stanno e non, come succede oggi, vedere da un lato l’acritica esaltazione dell’opera delle autorità e dall’altro la sua totale denigrazione, altrettanto acritica: in nessuno dei due modi si fa il bene delle zone terremotate. Le quali hanno ancora bisogno di una opinione pubblica che spinga nella giusta direzione. Direzione che cerco di spiegare in questo post.



Questo è il primo post a seguito del congresso di Camerino. Ho ritenuto utile mettere anche un elenco dei post sull'argomento. Dopo la giusta ondata emozionale per le vittime e le distruzioni dei terremoti che hanno investito l’Appennino centrale nel 2016, i problemi fondamentali sono noti a tutti. Cito i principali:


  • case distrutte se non interi paesi ridotti ad un cumulo di macerie
  • attività economiche impossibilitate a proseguire o con evidenti difficoltà a proseguire la vita di ogni giorno
  • infrastrutture distrutte (soprattutto, ma non, solo le strade)

Alan Pitts davanti alla sua casa
nella zona rossa di Camerino
che ha dovuto abbandonare
IL PATRIMONIO ABITATIVO. Molti paesi sono stati completamente distrutti, come Amatrice o Arquata del Tronto. Altri hanno sofferto parecchio ma almeno apparentemente i palazzi stanno ancora in piedi.
Nel quadro del convegno ho potuto visitare la zona rossa del centro di Camerino, chiusa a causa dei danni. I problemi maggiori sono ascritti più all’evento M 5.9 del 26 ottobre che a quello M 6.5 del 30. Da notare che nell’occasione molta gente era fuori casa a causa della forte (e provvidenziale, a questo punto...) scossa di 2 ore prima. La forte direzionalità dell’evento, con una distribuzione delle onde sismiche limitata a pochissime direzioni, ha fatto sì che la cittadina venisse investita dal terremoto in maniera particolarmente violenta. Dopo i danni patiti a causa degli eventi del 1997 l’edilizia locale era stata riveduta e corretta. Le opere di adeguamento si sono dimostrate da un lato funzionali perché non è morto nessuno, dall’altro purtroppo la stragrande maggioranza degli edifici nella zona rossa sono inagibili perché presentano gravi danni al loro interno. È il caso, ad esempio, della casa dove abitava un dottorando proveniente dagli USA che sta facendo il suo PhD in Scienze della Terra a Camerino: all’esterno sembra che l’edificio abbia retto bene; in realtà buona parte dei muri e dei solai all’interno sono semidistrutti e il palazzo inagibile (per gli abitanti è stato solo possibile, dietro importanti precauzioni di sicurezza, rientrare per riprendere le proprie cose).


A Norcia invece se si eccettua la cattedrale e qualche pezzo delle mura, la risposta delle costruzioni è stata migliore rispetto ad altri luoghiÈ vero che il più forte evento della sequenza appenninica non ha fatto vittime anche perché molte persone stavano fuori casa dopo le forti scosse del 26 (e, ovviamente, come a Camerino perché, provvidenzialmente, quella più forte del 26 è stata la seconda), ma a questa disposizione temporale degli eventi si somma un’edilizia sostanzialmente decente dal punto di vista antisismico in quanto negli abitanti di Norcia la percezione del rischio sismico c’era eccome: la memoria locale che ricordava gli eventi del XVIII secolo (in particolare 1703 e 1730) è stata rinforzata negli ultimi 40 anni, dalla sequenza della Valnerina del 1984 e di quella di Colfiorito del 1997, i cui ultimi eventi principali hanno avuto come epicentro Sellano e della cui ricostruzione si vedono gli effetti anche lungo la strada che da Folignio a Norcia e da una attività sismica di baso grado ma abbastanza continua.

Insomma, le cose nella cittadina famosa per i suoi salumi (non per nulla si usa il termine norcineria!) si sono svolte in maniera soddisfacente, soprattutto senza vittime. Un problema grave che segnalo è quello della scuola inavvertitamente costruita su una faglia attiva, faglia comunque che stavolta non si è mossa perché appartiene al sistema occidentale, quello che a differenza degli eventi del XVIII secolo non si è attivato nella sequenza del 2006.

Discorso diverso per i tre comuni più vicini all'epicentro del 24 agosto (Amatrice, Accumuli e Arquata del Tronto), dove questa percezione non c’era (come non c’era a Onna nel 2009). D’altro canto se Amatrice è stato inserito fra i comuni in zona sismica già nel 1915 e Accumuli nel 1927, bisognerà aspettare il 1984 per vedere inserita nella lista Arquata del Tronto!
Ma per Amatrice, come per Accumuli, questo precoce inserimento è servito a poco: nella cittadina del noto condimento l'evento del 24 agosto ha avuto un’intensità del X grado della scala MCS (la mia impressione è che ci sia stata una amplificazione locale delle onde sismiche ma non posso affermarlo con certezza).
La sua edilizia presentava una elevata vulnerabilità sismica: realizzata di suo con materiali poveri (murature in pietra non squadrata, assenza di malte, solai in legno fortemente degradato) e spesso gli immobili hanno subìto modifiche, interventi di manutenzione o presunti adeguamento che ne hanno diminuito la resistenza [1]. Ricordo in particolare la sostituzione dei tetti originari con coperture in cemento, che, cosa incredibile, era persino benedetta dalla normativa vigente qualche decennio fa..
La differenza fondamentale con i territori più a nord è che in questi tre comuni gli effetti dei terremoti del XVIII secolo e del XX secolo sono stati risentiti in misura minore, e la stessa cosa vale per quelli del settore abruzzese: insomma, dopo essere stati colpiti dall’evento del 1639, Amatrice e dintorni sono rimasti un po' ai margini delle zone interessate dai maggiori terremoti appenninici per cui è stato un problema “culturale”: non c’era la consapevolezza del rischio, perché il ricordo del 1639 è stato cancellato da quello degli eventi successivi un pò più distanti.


I PRINCIPALI PROBLEMI IN CAMPO. Attualmente i problemi fondamentali sul tappeto sono 5:

1. la rimozione delle macerie
2. la continuità delle attività economiche
3. le infrastrutture, in particolare la viabilità
4. le modalità della ricostruzione
5. la microzonazione sismica (sulla quale mi soffermerò nel post successivo)

I pezzi delle colonne crollate della chiesa di San Filippo
a Camerino raccolti nella piazza antistante
LA QUESTIONE DELLE MACERIE. Su questo argomento la burocrazia ha dato il meglio di sé: la questione fondamentale infatti (ovviamente per i burocrati) era la loro classificazione. Alla fine ha prevalso, per fortuna, il buon senso, cosa che in Italia non è scontata: a parte una distinzione in 4 aziende di riferimento diverse, una per regione, le macerie sono considerate “sottoprodotti (ma non ditelo alla Cassazione … ) e vengono conferite ad impianti in cui sono differenziate (ogni zona ha un preciso impianto di riferimento) e non occorre fare delle analisi dei materiali trasportati. Che io sappia solo due categorie di macerie sono escluse da questo iter e cioè:

  • i materiali contenenti amianto, che vanno separati all’origine e devono essere preventivamente rimossi secondo le modalità previste dal DM 6 settembre 1994
  • all’opposto “non costituiscono in ogni caso rifiuto i resti dei beni di interesse architettonico, artistico e storico, dei beni ed effetti di valore anche simbolico, i coppi, i mattoni, le ceramiche, le pietre con valenza di cultura locale, il legno lavorato, i metalli lavorati. Tali materiali, ove possibile, sono selezionati e separati all’origine, secondo le disposizioni delle strutture del Ministero dei beni e delle attività culturali territorialmente competenti, che ne individuano anche il luogo di destinazione” [2]. 

Questi per esempio che ho fotografato nella zona rossa di Camerino sono pezzi delle colonne crollate della chiesa di San Filippo (del 1733), provvisoriamente stoccati nella piazza antistante.
Sulla questione delle macerie c’è da fare una distinzione fra immobili crollati direttamente dalle scosse e immobili abbattuti per la loro pericolosità. Nel secondo caso ci sono stati una serie di ricorsi da parte dei proprietari, che quindi adesso sono avvisati prima della demolizione.

IL RECUPERO DELLE ATTIVITÀ ECONOMICHE. Ho accennato alla pasta all’amatriciana, alle norcinerie e oltre alle lenticchie di Castelluccio potrei citare tante altre ghiottonerie tipiche dell’area: insieme al turismo (fra borghi storici, escursionismo e turismo religioso) erano e devono restare i fondamenti  dell’economia locale: far rinascere il tessuto economico è una priorità fondamentale per evitare lo spopolamento e l’impoverimento della zona. Le potenzialità del territorio sono tante e bisogna approfittarne prima possibile.


LE INFRASTRUTTURE. A quasi un anno dall’inizio della sequenza sismica molte infrastrutture, dagli acquedotti in poi, risultano distrutte o comunque inutilizzabili. C’è una classe di infrastrutture che è più necessario di altre: le strade. Ancora oggi molte di queste risultano chiuse; altre invece, riaperte, presentano diversi restringimenti che provocano sensi unici alternati oltre a limitazioni della sagoma dei veicoli.

Le cause delle interruzioni sono svariate: dalla galleria San Benedetto della SS 685 danneggiata in quanto attraversata dalla faglia principale, a ponti pericolanti, frane ma, soprattutto, al rischio di caduta massi. Ho parlato ad esempio con chi ha bonificato la strada provinciale 477 che da Norcia porta a Castelluccio: mi ha raccontato le problematiche enormi di un lavoro che, forzatamente, è stato lento e pericoloso, con il rischio continuo di crolli specialmente in concomitanza di repliche un po' forti: anche le vibrazioni prodotte da una scossa di M 3.5 in queste condizioni possono provocare nuove cadute nelle pareti non bonificate o in corso di bonifica. Già il 24 agosto stesso me la presi con chi diceva che i soccorsi erano in ritardo, persone che evidentemente non conoscevano la situazione. Invito chiunque non ci sia mai stato (specialmente questa ultima categoria di criticoni da tastiera) a recarsi in zona e rendersi conto di cosa possano essere state le strade dopo il sisma.

La ricostruzione in corso all'Aquila

LE MODALITA' DELLA RICOSTRUZIONE. Nel passato un centro urbano distrutto da un terremoto, quando non abbandonato definitivamente è sempre stato ricostruito con lo stile del tempo in cui si colloca l’evento distruttivo. Un esempio “classico” è il barocco siciliano dei primi del ‘700 nella Sicilia sud – orientale: la costruzione praticamente in contemporanea di tutte queste chiese è una conseguenza del terribile terremoto del 1693, il più forte terremoto avvenuto in Italia in epoca storica, che aveva distrutto tutto quello che ha trovato. Di fatto oltre dalle sparute e spesso difficilmente interpretabili cronache, una traccia importante nelle ricerche sui terremoti del passato è la costruzione improvvisa di diverse strutture (e quindi, meglio, la loro RI-costruzione).

Insomma, dopo un evento del genere nel passato il volto degli agglomerati urbani cambiava totalmente. 
Oggi le cose stanno in modo un po' diverso: da qualche decennio è arrivata la volontà di conservare il passato. Inoltre dalla metà del XX secolo si è affermata una nuova attività: il turismo di massa, che nelle zone dell’Appennino centrale è richiamato sia dalle bellezze naturali che dall’aspetto dei borghi. Quale sarebbe la reazione del turismo a vedere borghi che hanno perso il loro antico fascino?
Il problema che oggi si pone per la zona di Italia Centrale duramente colpita dagli eventi sismici del 2016 è quindi come ricostruirli, se con lo stile che del passato o con quello dei nostri giorni.
A Camerino dopo i terremoti del 1997 il problema è stato risolto tenendo conto di una base fondamentale: il borgo che oltre ad ospitare una nota università doveva restare com’era. L’università stessa si è espansa con nuove costruzioni, dimostratesi sicure, fuori della zona storica per non intaccarla. Abitanti ed autorità hanno provveduto ad una serie di operazioni sull’edificato esistente. Qualcuno può osservare che anche se non è morto nessuno i risultato non siano stati ottimali, visto lo stato della "zona rossa": ma una soluzione del tipo "si fanno case nello stile tipico dell'area che i caso di forte sisma diventeranno inagibili ma tuttavia non crollano seppellendo gli abitanti, ma anzi gli consentono di scamparla" mi risulta essere fra quelle prese in esame.

QUALI SONO LE REALI PRIORITÀ? LE MACERIE ATTUALMENTE NON LO SONO. Dopo aver elencato i problemi cerchiamo di capire una scala di priorità. E qui nasce una considerazione sorprendente: il problema delle macerie è al momento meno impellente di tanti altri, anche se dal punto di vista mediatico è quello più visibile e di cui si parla maggiormente. Perché è meno impellente di altri? Per due motivi fondamentali:

  • prima di iniziare la ricostruzione deve essere completata la zonazione sismica di terzo livello
  • prima delle abitazioni bisogna pensare imperativamente alle attività economiche: una famiglia terremotata può stare anche un anno in più in una cosa in legno o in un prefabbricato, ma non può stare senza lavoro, perché senza reddito non può andare avanti


L’importante è che la sistemazione provvisoria sia decorosa. Per decorosa non intendo solo un ambiente sufficientemente confortevole e che consenta di vivere in spazi adeguati con la giusta temperatura in estate ed in inverno, ma deve anche essere “in zona”, perché deve essere vicina al luogo di lavoro o di studio… non esiste che sia a una distanza irragionevole, anche perché questi allontanamenti possono essere drammatici pure sul piano sociale. Il concetto “come, gli extracomunitari in albergo e i terremotati sotto le tende??” non regge perché ad un migrante che arriva in Italia interessa poco dove viene collocato, mentre un terremotato ha una montagna di motivi per restare il più possibile vicino a casa sua.



Quindi la priorità in questo momento non sono le case, tanto meno le macerie, ma la conditio sine qua non consiste nella microzonazione sismica, nella ricostruzione delle infrastrutture e nella ricostruzione del tessuto economico.

Insomma, prima il tessuto economico e poi il resto: una volta sistemate queste emergenze si potrà parlare di rimozione delle macerie e ricostruzione dei centri abitati.
Occorre evitare che ci sia un esodo degli abitanti come è successo all’Aquila. Ma questa è un’altra storia


[1] Tertulliani et al (2016) il terremoto di Amatrice del 24 agosto 2016: effetti nell’area epicentrale e valutazione dell’intensità macrosismica attraverso la scala ems GNGTS 2016 sessione Amatrice



[2] Regione Marche - Servizio Protezione Civile - Soggetto Attuatore Sisma 2016. Disciplinare Tecnico Della Concessione Di Servizio (Allegato A alla Concessione)


Il congresso internazionale sui terremoti dell'Italia Centrale


Ho partecipato al convegno organizzato dall'Università di Camerino dal titolo "Three Destructive Earthquakes along the Central Apennines Fault system", in cui insieme a più di 100 ricercatori provenienti da tutto il mondo ho potuto visitare le zone colpite dai 3 recenti terremoti che hanno colpito l'area.
Da questo convegno sono uscito pieno di dati e di idee, ma ho anche potuto capire la situazione. Il materiale che ho ricavato è tanto, per cui all'evento dedicherò diversi post.
In questo primo post linkerò via via per comodità i vari post a mano a mano che li pubblicherò, in modo da avere un elenco organico.


Nella immagine, che è la home page del congresso si vede la faglia al Monte Vettore, quella del terremoto M 6.5 del 30 ottobre 2016

Il primo post è dedicato alla situazione attuale e alle priorità che ci sono nella ricostruzione soprattutto per un aspetto molto importante riguardo alla comunicazione: ho potuto toccare con mano come il problema delle macerie, quello che più in questo momento "appassiona" mass - media e italiani, specialmente nelle squallide polemiche della politica nostrana, è secondario perché le urgenze sono altre: le strade, le attività economiche e la microzonazione sismica


venerdì 7 luglio 2017

Gli Idrati di Metano e i pericoli per il loro possibile scioglimento a causa del riscaldamento globale


Gli idrati di metano sono una caratteristica della terraferma e delle piattaforme continentali delle regioni polari, ma si trovano anche nei fondi marini delle zone tropicali. In particolare gli idrati delle zone polari sono a rischio scioglimento a causa del riscaldamento globale e questo è molto preoccupante perché si tratta di una ulteriore componente che si aggiunge all’effetto – serra delle emissioni antropiche. Tra le tante crisi biotiche quella di fine Permiano è avvenuta in condizioni climatiche che assomigliano un po' alle nostre e lo scioglimento degli idrati di metano delle alte latitudini e di quello che restava delle calotte polari del Permo – Carbonifero ne è stato un meccanismo determinante, mentre per esempio al passaggio Paleocene – Eocene in un clima globale più caldo le emissioni degli idrati hanno avuto un impatto minore.

Il metano viene emesso naturalmente da paludi, giacimenti di idrocarburi e giacimenti di idrati sui fondi marini e sotto il permafrost, ed è un gas – serra particolarmente efficiente: una sua molecola ha un impatto sull’effetto – serra 25 volte maggiore di quello di una molecola di CO2. Una considerevole quantità di questo composto è stoccata negli idrati di metano: si tratta di clatrati,  strutture in cui delle molecole di un composto si trovano all'interno di una gabbia formata da un reticolo di molecole ospitanti: in questo caso molecole di metano sono intrappolate dentro un reticolo di molecole di ghiaccio. La dissociazione di 1 litro di un gas idrato completamente saturo ne rilascia ben 169 di metano a pressione atmosferica. Il ghiaccio può intrappolare anche idrocarburi più pesanti: rispetto a quelli di metano possono resistere a temperature più alte e profondità minori.

DOVE SI TROVANO GLI IDRATI DI METANO. Estesi depositi di idrati di metano si trovano notoriamente nelle zone polari: sulla terraferma ghiaccio e permafrost (il suolo permanentemente ghiacciato delle zone polari) formano una copertura criosferica che intrappola le emissioni di metano provenienti dai tanti giacimenti di idrocarburi sottostanti; per quanto riguarda il mare, a quelle latitudini, complici le basse temperature, basta la pressione che si trova a una profondità di 300 metri. Gli idrati di metano sono stabili nei sedimenti sottomarini dei margini continentali anche a latitudini tropicali, dove però essendo la temperatura delle acque ben più alta, si deve arrivare ad elevate profondità, perché occorre una temperatura dell’acqua inferiore a 5°C. 
La Cina sta iniziando lo sfruttamento di giacimenti di idrati a scopo di ottenere combustibili fossili sulla sua piattaforma continentale (e non mi pare una bella cosa...) 

Il fondo del mare di Barents studiato in [7]
IL TASSO DI DISSOCIAZIONE DEGLI IDRATI. La permanenza del metano nei gas idrati è transitoria, per cui si tratta di riserve intrinsecamente temporanee, soggetti a continue perdite, indipendentemente dalla temperatura [1]; però l’attuale riscaldamento globale mette a rischio questi composti in quanto l’aumento delle temperature risulta in un aumento del tasso di dissociazione: livelli molto alti di metano proveniente dalla scomposizione degli idrati sono stati osservati in Siberia [2]. Tuttavia la permanenza di una molecola di CH4 in atmosfera è breve, perché non è capace di sopravvivere in un ambiente ossidante: la maggior parte di quanto emesso in maniera lenta e costante subisce quasi immediatamente la reazione di ossidazione CH4+2O2 → 2H2O+CO2, contribuendo comunque al tenore di CO2 atmosferico, ma con un effetto serra minore rispetto a se rimanesse metano (una parte del forte effetto serra della Terra primordiale è infatti attribuito al metano).   
I brillamenti osservati in questi anni in fondali profondi meno di 400 metri nelle zone artiche sono stati tentativamente spiegati con il riscaldamento di 1°C delle acque dell’area.

VULCANI DI FANGO E GAS IDRATI. In alcuni casi gli idrati sono trasportati in superficie da vulcani di fango, per esempio nella Kaoping Slope, a largo delle coste SW di Taiwan [3]. I vulcani di fango sono più comuni in aree caratterizzate da un regime tettonico compressivo e una rapida accumulazIone di sedimenti, ma anche in aree non proprio prone ad attività tettonica come il mare di Beaufort nell’artico dell’Alaska sono state trovate delle morfologie a gobba larghe 600–1100 metri che si elevano di circa 30 metri dal fondo marino che sono stati interpretati come vulcani di fango [4]. Si tratta di strutture giovani o addirittura in formazione che estrudono sedimenti molto fini e saturi d’acqua accompagnati a vari composti gassosi fra cui metano che spesso va a formare gas idrati.
Diverso il caso di emissioni violente, che avvengono sia in superficie, che sul fondo marino, spesso con la formazione di crateri. A queste emissioni sono associati dei brillamenti, con tuoni e bagliori. Ci sono diverse osservazioni in proposito nelle aree artiche, e di recente ho parlato di un evento del genere avvenuto presso lo Scoglio d’Affrica, nel mare toscano.
Un effetto dello scioglimento degli idrati di metano sono i pockmarks (letteralmente: pustole), crateri che punteggiano il fondo marino in alcune aree o delle forme a tumulo. Sono tutti associati a zone in cui il gas si infiltra  nei sedimenti del fondo marino provenendo da giacimenti sottostanti e quindi li troviamo spesso dove ci sono piattaforme per l’estrazione di idrocarburi offshore dalla Norvegia al golfo del Messico. 
Recentemente è stata studiata un’area del mare di Barents dove sono state documentate delle ingenti emissioni di metano [5], e dove crateri di diametro compreso fra 300 e 1000 metri, dal pendio ripido e alti una trentina di metri si alternano a tumuli larghi oltre 1 km e alti 20 metri. Sia i crateri che i tumuli hanno una forma semicircolare o ellittica, immagino perché il metano fuoriesca da una frattura lineare e non da una sorgente a pozzo puntiforme. 
I profili sismici dimostrano che i tumuli si sono formati grazie all’accumulo di idrati sotto il fondo marino. Nel corso delle ricerche sono stati osservati diversi brillamenti. 

Il meccanismo di formazione e distruzione dei gas - idrati
FORMAZIONE E DISTRUZIONE DEI GIACIMENTI DI IDRATI. Un modello per la formazione e la distruzione ciclica dei gas idrati in relazione ai cicli glaciali è stato presentato il mese scorso nel lavoro appena citato:
  • durante una fase glaciale principale in cui si forma sopra il mare di Barents una calotta, come nell’ultimo massimo glaciale o come nel Riss, conclusosi circa 130.000 anni fa il mare di Barents era occupato dalla calotta glaciale. La pressione esercitata dalla calotta bloccava la risalita dai giacimenti sottostanti del metano
  • quando la calotta si ritira il metano da queste riserve di idrati si concentra nei tumuli
  • se in qualche modo il metano fuoriesce improvvisamente il tumulo si distrugge formando un cratere


Insomma, l’avanzamento e l’arretramento dei ghiacci e le variazioni della temperatura associate costituiscono una valvola che blocca negli idrati il metano durante le fasi glaciali e lo libera negli interglaciali.

Questo processo che ha influenzato e sta influenzando un’area di ben 33 milioni di km2 nelle zone artiche è interessante anche perché influisce pesantemente sulla quantità di emissioni di carbonio in atmosfera, in particolare le aumenta improvvisamente alla deglaciazione: ad esempio la rapida transizione del fondo marino da un ambiente sub-glaciale a un ambiente marino ha portato dopo il massimo glaciale la profondità della zona di stabilità degli idrati di metano da ~440 to ~200 m (Fig. 3A, orange line).  
Quindi la depressurizzazione porta di suo un aumento delle emissioni di metano delle zone artiche precedentemente occupate da calotte glaciali, ma anche le temperature sono una parte importante di questa valvola.

Una conferma di questo è venuta anch’essa da pochi giorni: nella parte settentrionale del Mare del Nord, nell’area dove si trova uno dei più importanti giacimenti di metano noto come Troll gas field. Il campo è posto nel canale di Norvegia, una lascia lunga e stretta molto più profonda di quanto la circonda e il fondo è costellato di “pustole”. La cosa interessante è che si sono formate tutte in un intervallo di tempo estremamente ristretto: non solo i dati stratigrafici e sismici non ne evidenziano la presenza di pustole da dissociazione di idrati prima dello scioglimento della calotta glaciale scandinava, ma, soprattutto, appartengono tutte allo stesso livello stratigrafico, escludendo la possibilità di emissioni in epoche precedenti allo Younger Dryas (l’intervallo freddo che ha preceduto il definitivo dissolvimento della calotta scandinava). Datazioni con il metodo U–Th dei carbonati associati hanno fornito una età di 9.590 ± 138 anni dal presente. Quindi la dissociazione degli idrati di metano di quella sezione del mare di Norvegia è avvenuta non casualmente durante una fase di rapido riscaldamento dell’area alla fine dell'esistenza della calotta glaciale [6].

La presenza di questa “valvola” che alternativamente blocca e libera le emissioni di metano spiega a livello locale perché le pustole del Troll Gas Field si sono formate subito dopo la deglaciazione e a livello globale il basso valore del CH4 atmosferico durante le fasi glaciali, ponendo dei grossi interrogativi sul futuro a causa del riscaldamento globale.
A proposito del futuro, come è noto la Geologia consente di capirne qualcosa guardando al passato.

Il meccanismo alla base delle emissioni di metano
per la dissociazione degli idrati alla fine del Permiano, da [8]
UNO SGUARDO AL PASSATO. Voglio quindi soffermarmi a due momenti cruciali e cioè all’estinzione di fine Permiano (la “madre di tutte le estinzioni”) e al Massimo termico al passaggio fra Paleocene ed Eocene (d’ora in poi PETM), che magari non sarà un’estinzione di massa ma lo è stata per i foraminiferi bentonici (curiosamente scampati all’evento della fine del Cretaceo) e che è stato un limite importanti per i mammiferi, visto che proprio in quel momento compaiono improvvisamente gli ordini “moderni” di placentati.
In entrambi i casi la fase massima del disturbo climatico, atmosferico e biotico coincide con forti emissioni di CO2 causate dalle eruzioni dei Trappi della Siberia nel primo caso e da quelle della Provincia Magmatica dell’Atlantico settentrionale nel secondo. Una caratteristica comune di tutti questi momenti è una forte escursione negativa dei rapporti isotopici degli atomi di Carbonio 12 e 13, il ∂13C. Parlo specificamente di questi due eventi perché si tratta di crisi climatico – biotiche avvenute a causa di Large Igneous Provinces messe i posto alle alte latitudini settentrionali. 

Alla fine del Permiano ci sono forti evidenze di un rilascio catastrofico di metano, testimoniate in particolare dai rapporti fra gli isotopi del carbonio nella materia organica [7]. 
Uno studio sulle inclusioni gassose contenute in alcuni fossili della fine del Permiano molta l’aumento del contenuto di CO2 e metano che ha accompagnato l’evento biotico, la cui durata è brevissima geologicamente parlando, fra 2.000 e 19.000 anni. Il riscaldamento nelle alte latitudini è stato di 8–11 °C: i dati dimostrano che l’effetto – serra dovuto al CO2 atmosferico ha causato un successivo aumento di CH4, avendo appunto innescato lo scioglimento dei gas idrati [8].

Il PETM, soprattutto perché è molto recente è avvenuto con una configurazione dei continenti abbastanza simile a quella attuale (molto di più che in passato, anche se, per esempio, l’Atlantico settentrionale ha iniziato ad aprirsi proprio dopo dopo la messa in posto della provincia magmatica dell’Atlantico Settentrionale  e la collisone India – Eurasia era ancora all’inizio) è un esempio molto significativo per cosa possa succedere a causa dell’odierno riscaldamento globale [9].

Anche il PETM è caratterizzato da una escursione negativa del  ∂13C e da un forte ricaldamento, più sensibile alle alte latitudini. Su questo evento ho scritto un post abbastanza dettagliato.  
Anche in questo caso il periodo più critico è stato molto breve. In questo caso probabilmente gli idrati hanno giocato un ruolo meno determinante [10], e molto probabilmente buona parte delle emissioni di carbonio alle alte altitudini sono dovute alla combustione di giacimenti di idrocarburi  attraversati dai magmi delle prime fasi di queste violente eruzioni  [11]

È evidente in tutti gli eventi di estinzione di massa il ruolo giocato dal riscaldamento globale innescato dai gas – serra e lo è anche, ovviamente, per la crisi della fine del Permiano che per il PETM. È chiaro che i modelli climatici dovranno tenere conto delle conseguenze globali del possibile improvviso rilascio del metano intrappolato nei gas idrati delle alte latitudini. 

[1] Hong et al. (2010) Seepage from an arctic shallow marine gas hydrate reservoir is insensitive to momentary ocean warming Nature Communications DOI:10.1038/ncomms15745
[2] Shakova et al (2010) Extensive Methane Venting to the Atmosphere from Sediments of the East Siberian Arctic Shelf Science 327, 1246–1250
[3] Chen et al (2014) Active mud volcanoes in the gas hydrate potential area of the upper Kaoping Slope, off southwest Taiwan. Oceans,  DOI: 10.1109/OCEANS-TAIPEI.2014.6964312
[4] Paull, et al. (2015), Active mud volcanoes on the continental slope of the Canadian Beaufort Sea, Geochem. Geophys. Geosyst., 16, 3160–3181
[5] Andreassen et al (2017) Massive blow-out craters formed by hydrate-controlled methane expulsion from the Arctic seafloor Science 356, 948–953  
[6] Mazzini et al (2017) A climatic trigger for the giant Troll pockmark field in the northern North Sea Earth and Planetary Science Letters 464,24–34 
[7] Retallack & Krull (2006) Carbon isotopic evidence for terminal-Permian methane outbursts and their role in extinctions of animals, plants, coral reefs, and peat swamps,  Geological Society of America Special Paper 399,  249–268, 
[8] Brand et al (2016) Methane Hydrate: Killer cause of Earth’s greatest mass extinction Palaeoworld 25,  496–507 
[9] Zeebe, R. E., Zachos, J. C. & Dickens, G. R. (2009) Carbon dioxide forcing alone insufficient to explain Palaeocene–Eocene thermal maximum warming. Nat. Geosci. 2, 576–580. (doi:10.1038/ ngeo578) 
[10] Dunkley Jones et al (2010) A Palaeogene perspective on climate sensitivity and methane hydrate instability Phil. Trans. R. Soc. A 368, 2395-2415 
[11] Aarnes et al (2016) Contact metamorphism and thermogenic gas generation in the Vøring and Møre basins, offshore Norway, during the Paleocene–Eocene thermal maximum Journal of the Geological Society 172, 588–598

lunedì 3 luglio 2017

La lettera della SIGEA sulla gestione delle acque dolci in Italia al Presidente del Consiglio


La siccità dell'estate 2017 è sotto gli occhi di tutti. Trasformando un problema in una opportunità e ricordando che in tutti i modelli sulla evoluzione dei cambiamenti climatici il global warming risulterà in un aumento delle fasi di siccità nell'area mediterranea, questa grave situazione potrebbe essere la scusa per porre finalmente al centro del dibattito politico il problema delle acque dolci in Italia, in tutti i suoi ambiti, dallo stoccaggio all'utilizzo. Una lettera della SIGEA (Società Italiana di Geologia Ambientale) alle massime Autorità dello Stato chiede giusto questo. La riporto integralmente dopo una ampia introduzione sulla questione, ricordando come sia irrealistico in un Paese come il nostro che problemi come questo si possano affrontare in "tempi di pace", per cui la comunità scientifica e tecnica che gravita intorno alle acque deve approfittare per parlarne oggi, quando su questo fronte siamo in "tempo di guerra".

I laghetti dei Renai, a Signa: nell'estate del 1985 a causa
della siccità la Protezione Civile realizzò un acquedotto
 provvisorio per fornire acqua alla città di Firenze
Il 1985 per Firenze fu veramente un anno di eccessi climatici: le gelate del gennaio ghiacciarono l’Arno costringendo le autorità ad avvisare gli abitanti di non avventurarsi sul fiume perché la lastra superficiale non avrebbe retto il peso delle persone. A questo gennaio freddissimo successe una primavera siccitosa tale da rendere troppo basso in estate il livello minimo dell’Arno, a cui attinge dal XIX secolo l’acquedotto della città. Di conseguenza in tutta fretta fu costruito sotto l'egida della Protezione Civile un acquedotto per portare 500 litri d'acqua al secondo dai laghetti dei Renai, che si trovano a Signa, il cosiddetto "tubone": nonostante il tempo che ci volle per pensarlo, progettarlo e realizzarlo il tubone permise d’incrementare la produzione dell’acquedotto nelle due settimane che precedettero l’arrivo delle piogge autunnali, grazie alle quali l’Arno recuperò la portata necessaria per il rifornimento idrico della città. Oggi con la realizzazione dell’invaso di Bilancino i rischi che i rubinetti dell’area fiorentina rimangano a secco è decisamente più improbabile. Quindi se il tubone è stato un intervento – spot, la realizzazione dell'invaso di Bilancino costituisce un intervento strutturale importante per il ciclo dell’acqua, ma 30 anni dopo è evidente che in tutta Italia occorra una serie di interventi per evitare che una stagione primaverile con poche piogge dopo un autunno già deficitario abbia le conseguenze che tutti vediamo giusto in questa estate 2017, con fiumi ed invasi ai minimi storici. È chiaro che oltre ad interventi strutturali occorra anche un ripensamento degli usi dell’acqua in modo da consumarne di meno.

La siccità di questo periodo è un problema di cui si occupano in modo massiccio anche tutti i media. Purtroppo il rapporto fra media (sopratutto televisivi) e Scienza è sempre difficile e come succede spesso anche a proposito della siccità non ci siamo: giusto ieri il TG1 ha intervistato un rabdomante spacciando questa categoria come la soluzione alla siccità che sta colpendo l'Italia. Dopotutto siamo nel paese dove è ancora vivo, purtroppo, lo spirito del crocianismo per il quale Filosofi e Storici sono grandi menti mentre gli scienziati sono menti minute: di conseguenza astrosismologi, cultori di scienze alternative, complottisti di ogni tipo, attricette e comitati di mammine hanno lo stesso diritto di parola e sono posti allo stesso livello di chi fa ricerca su un argomento ai massimi livelli da decenni.
In più il messaggio lanciato dal TG1 è completamente folle, perché fa trasparite il concetto che in Italia l’acqua ci sia e che basti cercarla, non che ci siano problemi di ricarica delle falde né sistemi più efficienti per il suo uso, e non che la siccità sia il risultato complessivo dell’avarizia in fatto di precipitazioni utili degli ultimi mesi e di uno scadente sistema complessivo delle acque dolci.
Certo, sarebbe più difficile per un giornalista dotato di una preparazione scientifica inconsistente parlare della necessità di una diversa strategia per un più intelligente organizzazione del ciclo delle acque, sia dal versante delle infrastrutture per stoccarla e trasportarla, sia da quello del suo uso, ma è quello che - realmente - si deve fare.

LE PIOGGE IN ITALIA E NELL'EUROPA SETTENTRIONALE. L’Italia è considerata una nazione ben meno umida rispetto all'Europa settentrionale (e lo è), ma c'è un aspetto della questione piuttosto sconosciuto: il nostro problema non è la quantità di pioggia che cade, bensì la sua distribuzione nel tempo. Grossolanamente possiamo dire che la pioggerella continua (e noiosa!) riempie le falde, mentre le piogge intense se ne vanno via senza lasciare quasi nulla sotto la superficie: oltre un certo livello di precipitazione (che varia da caso a caso) il terreno non è in grado di assorbire la pioggia e quindi l’acqua che piove non solo non serve ad aumentare le risorse idriche, ma può provocare grossi guai.
Cosa ampiamente risaputa dai tempi più lontani, come fa notare anche Dante:

Bonconte da Montefeltro
Indi la valle, come ’l dì fu spento,
da Pratomagno al gran giogo coperse
di nebbia; e ’l ciel di sopra fece intento,
sì che ’l pregno aere in acqua si converse;
la pioggia cadde, e a’ fossati venne
di lei ciò che la terra non sofferse; 
e come ai rivi grandi si convenne,
ver’ lo fiume real tanto veloce
si ruinò, che nulla la ritenne

Purgatorio V, 115-123

Le piogge in Europa: come si vede in Italia
 il quantitativo"grezzo" di pioggia è paragonabile
a quello di regioni notoriamente umide
I mari caldi che circondano la nostra penisola provocano precipitazioni intense. Potrà sembrare strano, ma da noi nel corso dell'anno piove più o meno quanto piove in Inghilterra, solo che lassù le piogge sono ben distribuite tutto l’anno, mentre le nostre sono generalmente concentrate in autunno (quando dovrebbe piovere più della metà della precipitazione annuale) e in primavera (quando dovrebbe piovere quasi tutto il resto); non è la stessa cosa se cadono 800 mm di pioggia all’anno al ritmo di circa 70 al mese distribuiti in parecchi giorni come nell’Europa Settentrionale o se la maggior parte cade in pochi eventi. Un aspetto molto differente è che da noi le temperature più alte aumentano l'evaporazione.
Un ulteriore problema è che nell'area mediterranea la stagione più calda, nella quale i consumi di acqua a scopo irriguo sono maggiori (e anche quelli a scopo idropotabile) coincide in genere con quella più secca.
Pertanto in Italia le dighe costruite a scopo di produzione di energia elettrica svolgono un ruolo importante anche nella regimazione della portata dei fiumi: nella stagione secca fungono da serbatoi per aumentare la portata delle aste fluviali a valle e manovre di svuotamento in previsione di forti precipitazioni hanno lo scopo preventivo di poter stoccare una quantità di acqua che altrimenti rischierebbe di provocare inondazioni.
Inoltre ci sono anche diversi invasi costruiti esclusivamente per la regimazione delle magre, come appunto in Toscana Bilancino.

Il regime estivo dei fiumi appenninici differisce da quello dei fiumi alpini, in quanto i secondi possono contare nella stagione calda del contributo dello scioglimento di nevi e ghiacci, che manca nei primi. Purtroppo la diminuzione della copertura nevosa dovuta al riscaldamento globale diminuirà tragicamente l’apporto di questa componente nel regime estivo.

Sempre nel quadri dei cambiamenti climatici è purtroppo previsto un aumento dei fenomeni estremi e quindi magari non diminuirà la quantità annua di pioggia, ma questa sarà sempre più concentrata in meno eventi forti e quindi la quantità a disposizione per il rifornimento delle falde acquifere diminuirà ulteriormente.
Una attenta politica di salvaguardia delle falde acquifere e di, conseguenza, dell’uso delle acque che è assolutamente necessaria nell’Italia di oggi lo sarà ulteriormente nell’Italia di domani.

LA LETTERA DELLA SIGEA. La SIGEA (Società Italiana di Geologia Ambientale) ha scritto una lettera alla Presidenza del Consiglio e della Repubblica e ai Presidenti di Camera e Senato perché occorre ripensare tutto il circuito delle acque a scopo idropotabile, irriguo e industriale che sarebbe una bella risposta a quella idiotissimo servizio del TG1, lettera che riporto integralmente:

Oggetto: Crisi idrica 2017, azioni comuni per contenere future sofferenze agli italiani.

Gentilissime Autorità,

la scrivente Associazione culturale Sigea (Società Italiana di Geologia Ambientale), riconosciuta dal Ministero dell’Ambiente con D.M. 24 maggio 2005 come associazione di protezione ambientale, desidera porre l’attenzione su un argomento che in questa estate 2017 sta interessando diverse regioni italiane e milioni d’italiani: la crisi idrica. 


Le nostre riflessioni nascono dalla consapevolezza, che vorremo condividere con voi, che le crisi ambientali, sociali ed economiche in tema di risorsa idrica non si possono affrontare stagione per stagione. Questo tipo di crisi richiedono un’attenta programmazione e pianificazione degli interventi e dei comportamenti tali da chiedere sacrifici agli italiani, ma senza ledere il diritto all’acqua che garantisce dignità e sopravvivenza. 


Sul tema importante, delicato e difficile come quello della corretta gestione delle acque, compreso il risparmio idrico, crediamo che si debba attivare un impegno politico del Governo e del Parlamento tutto che vada oltre il mandato elettorale. Per il benessere del Paese è necessario affrontare l’argomento prima degli eventi di crisi, altrimenti avremo pochissimo tempo per contenere i danni delle prossime siccità.


Quelli che sottoponiamo alla vostra attenzione vogliono essere solo spunti di riflessione sul completamento e potenziamento di attività avviate nel nostro Paese per fronteggiare e contenere gli effetti sulla popolazione e sull’economia delle future crisi idriche. 
Le azioni da compiere devono essere prima analizzate nei contesti territoriali, pianificate e progettate, queste non possono essere uniche su tutto il territorio nazionale ma devono differenziarsi tenendo conto delle caratteristiche territoriali, sociali ed economici.

Riteniamo prioritario che il nostro Paese nel prossimo futuro debba agire nelle azione di mitigazione e adattamento ai cambiamenti climatici previsti anche dalla Strategia Nazionale di Adattamento al Clima (SNAC) quali:

  • recupero acque reflue depurate per uso irriguo e industriale;
  • compatibilità degli impianti agricoli e zootecnici con le disponibilità idriche;
  • 
uso in agricoltura di sistemi d’irrigazione innovativi volti al risparmio idrico;
  • 
ricerca applicata alla desalinizzazione delle acque, meglio salmastra che salate;

  • studio delle sorgenti costiere al fine della loro captazione prima che le acque finiscano in mare;
  • 
programma di ampliamento, riparazione e sostituzione delle reti acquedottistiche a supporto degli usi umani e produttivi;
  • 
ricarica degli acquiferi sotterranei;

  • realizzazione di invasi di piccole dimensioni (laghetti collinari) a scopi irrigui;
  • 
realizzazione di invasi a scopi misti;

  • attuazione della norma sulle reti duali;
  • 
mappature e controllo delle utenze che usano le acque sotterranee al fine di una programmazione idrogeologica del prelievo;
  • 
mappature e controllo delle sorgenti al fine di una programmazione idrogeologica del loro utilizzo; 
  • campagne di sensibilizzazione all’uso razionale della risorsa

Stimate Autorità, necessita agire per tempo e con determinazione perché le crisi idriche che viviamo e vivremo negli anni a venire non possono essere affrontate chiedendo solo ai cittadini di chiudere il rubinetto quando si lavano o denti o prevedendo la realizzazione di nuove dighe.
Buona gestione del benessere del Popolo italiano

Non posso che essere d’accordo su questa lettera, aggiungendo solo che una implementazione del sistema di invasi oltre a diminuire i rischi in caso di siccità, può essere importante anche a laminare e regimare le piene.

sabato 24 giugno 2017

La formazione della prima crosta continentale 4 miliardi di anni fa



Più si va verso l'inizio della storia della Terra, meno dati abbiamo a disposizione: i fenomeni geologici hanno rielaborato le rocce più antiche e abbiamo davvero pochissime tracce di quanto è successo prima di 3 miliardi di anni fa. Se poi andiamo ancora oltre, i dati su qualcosa di anteriore a 4 miliardi di anni fa sono davvero pochissimi. Quindi capire come era la Terra prima della instaurazione della Tettonica delle Placche e su come e quando sono apparse le prime aree a crosta continentale silicea è veramente difficile. Però si può dire qualcosa sulle serie TTG (Tonalite - Trondhjemite - Granodiorite) che hanno costituito, tra 4 e 2.5 miliardi di anni fa, le principali aree a crosta continentale silicea.

LA PRIMA CROSTA CONTINENTALE A COMPOSIZIONE BASALTICA. I geologi dell’anno 4.700.000.000 dalla formazione della Terra conoscono benissimo la differenza fra crosta continentale, crosta oceanica, mantello, litosfera e astenosfera. Come conoscono la sterminata varietà delle rocce e dei minerali che possiamo trovare sulla superficie terreste, formatisi in svariati ambienti.
Ma, ovviamente, quando la Terra è nata, la situazione era un po' diversa. Dell’Adeano, il primo eone della storia della Terra, conclusosi circa 4 miliardi di anni fa, ci sono ben poche testimonianze. Quelle più antiche sono gli zirconi di 4.4 miliardi di anni fa trovati nelle australiane Jack Hills [1]: lo zircone è un minerale “duro a morire” e di fatto di zirconi del Precambriano ce ne sono tantissimi anche in rocce recenti (e sono utilissimi per tanti aspetti della Geologia). 
Comunque stando ai modelli più realistici la Terra dell’Adeano era una palla coperta interamente da un oceano sotto il quale c'era una primitiva crosta oceanica a composizione basaltica anche se un pò diversa dai basalti di oggi. 
Parlare di "crosta continentale" per quei tempi significa però tutta un'altra cosa, in quanto non c'era una crosta continentale simile a quella attuale. Per "crosta continentale" dell'epoca si può intendere, grossolanamente, un qualche cosa possibilmente al di sopra del livello del mare che, esposto all'alterazione e all'erosione, si qualificava per essere l'area di provenienza di sedimenti di origine continentale (fondamentalmente arenarie e argilliti). 

IL PASSAGGIO DA UNA CROSTA CONTINENTALE BASALTICA A UNA CROSTA DI COMPOSIZIONE FELSICA, A MAGGIOR TENORE DI SILICIO. Distinguendo fra minerali felsici (ad alto tenore di silicio) e mafici (ad alto tenore di Ferro e Magnesio) due lavori sono arrivati a concludere che fino a 4 miliardi di anni fa la (poca) crosta continentale era tutta basaltica e che solo da quel momento è iniziata la produzione in grande stile di magmi felsici della suite delle TTG (Tonaliti – Trondhjemiti – Granodioriti), partendo da due approcci diversi: 
  • un primo gruppo ha studiato la distribuzione e la composizione dei minerali femici [2] 
  • un secondo gruppo ha studiato la distribuzione e la composizione dei minerali felsici [3] 


La modifica nella composizione della crosta continentale
tra l'inizio e le fine dell'Archeano, da [2]
L’aspetto interessante è che entrambi i gruppi sono pervenuti alle stesse conclusioni e cioè che la prima crosta continentale felsica ha iniziato a formarsi all’inizio dell’Archeano, 4 miliardi di anni fa e che nell’eone precedente, l'Adeano c’era, appunto, quasi esclusivamente una crosta basaltica. Inoltre, durante tutto l’Archeano, cioè fra 4 e 2.5 miliardi di anni fa la quantità di crosta continentale felsica è aumentata sensibilmente da zero ad un valore sempre di parecchio inferiore all’attuale ma abbastanza rilevante rispetto a prima.
Nell’immagine tratta da [2], che è rovescia rispetto alla logica comune, in quanto la situazione più antica è a destra, si vedono le differenti percentuali di quanto in qualche modo sporgeva dalla crosta oceanica all’inizio e alla fine dell’Archeano. Nella legenda al posto di “Komaitiiti” come nell’originale ho preferito scrivere “Greenstone Belt”, perché le Komaitiiti fanno parte di queste. Le Greenstone belts rappresentano un assemblaggio tipico dell’Archeano e del paleoproterozoico: si tratta di ampie zone che nei cratoni dell'epoca si trovano interposte alle zone con TTG. Sono lunghe da poche decine a centinaia di km, e presentano serie vulcaniche mafiche e ultramafiche con associata copertura sedimentaria, metamorfosate in modo variabile. È facile vedere come durante l'Archeano nelle zone più elevate rispetto alla crosta oceanica (e quindi a crosta continentale in senso lato) siamo passati da una ampia maggioranza di rocce basaltiche a una crosta composta essenzialmente da rocce granitiche, formate da serie di tipo TTG.

Insomma, le serie TTG sono il primo esempio di vera crosta continentale nel senso "moderno" della storia della Terra: in pratica sono dei complessi granitici e granodioritici che però si distinguono per una composizione un po' diversa da quella dei complessi granitici successivi.

COME SI PRODUCE LA CROSTA CONTINENTALE FELSICA? Fondamentalmente, la crosta continentale felsica si forma partendo dai magmi che risalgono dal mantello. Siccome il mantello produce magmi femici, è ovvio che al momento della loro solidificazione nella crosta il liquido si è pesantemente modificato rispetto al magma originario, durante una evoluzione che si definisce come differenziazione magmatica e cristallizzazione frazionata: un magma è composto da una fase liquida (la lava propriamente detta), una fase solida (i cristalli che vi nuotano dentro) e una fase gassosa (i gas disciolti: acqua, CO2, NO2, SO2 , P2O 5 etc etc). Durante la risalita dal profondo l’assemblaggio si modifica per una serie di fenomeni: la temperatura e la pressione diminuiscono, mentre le tre fasi interagiscono continuamente fra loro e, spesso, pure con le pareti del condotto, assimilandone delle parti: così si modificano le composizioni di gas, cristalli e liquido e può variare anche il chimismo generale del sistema. Alle volte succede che al cambio di una o più di queste condizioni alcuni cristalli formatisi in precedenza possono dissolversi o essere in parte attaccati dalla nuova composizione del liquido. 

Crosta che si forma                      crosta che si forma

da un mantle plume    in un sistema di convergenza di placche
Ci sono diversi modi per creare nuova crosta che corrispondono a due modi diversi di risalita di magmi mantellici:
  • il primo è il classico Mantle Plume: alla base del mantello ci sono delle zone più calde con un certo grado di fusione parziale e dalle quali il materiale profondo risale. Alle volte ancora in epoca geologicamente recente sulla superficie arrivano dei veri e propri “goccioloni” di magma, che formano le Large Igneous Province, un insieme di lave essenzialmente basaltiche che si mette in posto sulla superficie terrestre (i “flood basalts", letteralmente alluvioni di basalto) come i trappi della Siberia o del Deccan, o sul fondo dell’oceano (i plateau oceanici in stile Kerguelen). In genere la risalita di questi magmi e la loro messa in posto superficiale sono molto veloci, per cui assomigliano abbastanza al fuso originale. 
  • il secondo è l’ambiente di collisione fra zolle, dove una zolla in subduzione a causa dell’aumento di pressione a cui è sottoposta perde i fluidi che percolano nel mantello sovrastante e ne provocano la fusione parziale. Si forma così il magmatismo di arco, come quello che adesso abbiamo in Giappone, Indonesia e Ande (ma non solo… anche nelle Eolie…). Sotto agli archi vulcanici si formano grandi corpi granitici come i grandi batoliti delle Ande o del Tibet e in genere il granito viene associato a un ambiente di collisione 


Annoto per dovere di cronaca che quando si pensa ai graniti si pensa intuitivamente a un ambiente di scontro di zolle. Ma ci sono anche i cosiddetti graniti tardo o post orogenici: magmi granitici che sono il risultato della differenziazione di liquidi formatisi nel mantello più superficiale per una semplice decompressione dovuta all’allontanamento fra due settori di crosta sovrastanti: ad esempio il grande batolite della Sardegna e della Corsica (con le appendici calabresi) e i massicci cristallini esterni delle Alpi si sono formati quando i fenomeni compressivi dell’orogenesi ercinica (o varisica come si dice oggi) si erano praticamente conclusi, in un ambiente di scorrimento laterale (tipo la faglia di San Andreas) con una leggera componente estensionale [5]. Di tratta fondamentalmente di un terzo modo di formazione di crosta continentale, che però, nonostante il fatto che sia estremamente interessante dal punto di vista geologico, dal punto di vista quantitativo fornisce un contributo quasi nullo.

COME SI SONO FORMATE LE SERIE TONALITE - TRONDHJEMITI - GRANODIORITI? Una differenza essenziale fra i due modi diversi di formazione della crosta continentale è che al primo non serve la tettonica a placche, mentre per il secondo senza tettonica a placche non se ne parla nemmeno. Appare abbastanza ragionevole un modello secondo il quale per i primi 700 / 900 milioni di anni di storia abbiamo avuto essenzialmente un mantello stagnante in progressivo raffreddamento, con qualche zona in cui materiali risalivano verso la superficie o scendevano verso il basso e che i primi segni di una vera tettonica a placche siano comparsi solo 3.8 miliardi di anni fa.
Quindi, visto il ritardo della instaurazione della tettonica a placche, è ragionevole pensare che la prima crosta continentale si sia formata per risalita di materiali dal mantello provenienti da un plume. Il problema è che di questa crosta non c’è più traccia diretta, un po' per l’erosione, un po' perché è stata successivamente coinvolta in processi deformativi.
Allora bisogna vedere se c'è un analogo attuale. Oggi la crosta continentale si forma essenzialmente nelle aree di scontro fra zolle e quindi non può essere presa a modello per la formazione delle TTG. I grandi plateau oceanici e i flood basalts possono condividere probabilmente con le serie TTG l’origine profonda dei magmi, ma la crosta sotto i plateau oceanici non ha uno spessore tale da definirsi “crosta continentale” di suo e i flood basalts si sono fatti spazio nella crosta continentale preesistente. Quindi non ci servono.
Un caso apparentemente simile sulla Terra attuale c’è, ed è l’Islanda.

Il sistema di alimentazione dei magmi dal profondo
in Islanda, da [4]
L'ISLANDA: FORMAZIONE ATTUALE DI CROSTA CONTINENTALE DA UN PLUME DEL MANTELLO. L’Islanda è più o meno sopra il punto in cui a causa di una ingente risalita di magmi dal mantello si è messa in posto la NAIP, Northern Atlantic Igneous Province, 55 milioni di anni fa (quella le cui emissioni sono responsabili del massimo termico al passaggio Paleocene – Eocene, ma non ditelo a Trump e a Pruitt…). La NAIP precede l’inizio dell’apertura dell’Atlantico settentrionale. 
L’isola è sulla dorsale medioatlantica e a causa dell’espansione dei fondi oceanici in direzione perpendicolare alla dorsale non possiede rocce più vecchie di 20 milioni di anni; i volumi di magma che risalgono sono molto ingenti a causa della concomitanza fra il plume del mantello e la dorsale; per questo si è formata una crosta il cui spessore varia tra 15 e 40 km. 
La tomografia sismica ha rilevato la presenza di un esteso sistema di alimentazione dei magmi tra il mantello e la superficie, quasi un cilindro verticale posto sotto i due sistemi vulcanici attualmente più attivi, l’Hekla e il Bárdarbunga-Grı́msvötn (non è un caso se i 16 km cubi della più imponente eruzione in età storica a livello mondiale, quella del Laki nel 1783, sia avvenuta proprio lì sopra). La crosta, oltre che nelle lave che emergono in superficie, si forma in profondità nelle camere magmatiche che si trovano tra 5 e 10 km [4]. Lo spessore crustale, la permanenza a debole profondità e il contatto con rocce alterate preesistenti influenzano la composizione del magma che poi, in parte, risale per eruttare sulla superficie. 
L’Islanda è stata considerata un possibile analogo del modo con cui si è messa in posto la prima crosta continentale. Il problema è che i conti non tornano dal punto di vista geochimico.
Il primo aspetto è che all’epoca il rapporto Ferro / Magnesio era diverso da quello attuale: c’era molto più magnesio di oggi, in quanto le temperature del mantello erano decisamente superiori a quelle attuali: i magmi basaltici dell’epoca possono addirittura sorpassare un tenore del 20% di MgO, contro il 5 – 12 % di quelli attuali
Il secondo è che la composizione chimica della suite di crosta continentale dell’epoca, le TTG (tonalite – trondhjemite – granodiorite), che iniziano a comparire giusto 4 miliardi di anni fa, differisce dalle vulcaniti islandesi in diversi “particolari essenziali” (fra i quali le percentuali di silice, allumina e l’abbondanza delle terre rare) e la cui formazione finisce circa 2 miliardi di anni fa, all’epoca della formazione del supercontinente Nuna (o Columbia). 
Uno gneiss in cui durante il metamorfismo i minerali
si sono spostati ciascuno verso i suoi simili,
formando bande di alternata composizione
Le TTG sono le più antiche fra le rocce ad alto tenore di silice. Si tratta di rocce magmatiche intrusive abbastanza ricche in silice di cui alcune sono rimaste abbastanza indisturbate, mentre altre sono state successivamente metamorfosate. Insomma, sono l’equivalente dei graniti e delle granodioriti dei tempi successivi. 

La domanda fondamentale sull’origine delle serie TTG è se rappresentano un prodotto della convergenza fra zolle o di una risalita sopra un mantle plume, e capite che si tratta di due possibili meccanismi completamente diversi! 
Purtroppo l’ambiente di solidificazione finale delle TTG ne rende spesso difficile lo studio: le possibilità che venga coinvolto successivamente in deformazioni o metamorfismi sono elevate per rocce come queste, formatesi nella crosta primordiale ad una certa profondità. Ne segue che le deformazioni e il metamorfismo successive alla loro formazione non solo ne hanno drasticamente mutato la mineralogia, ma come spesso succede in fasi di metamorfismo molto spinto composti simili si sono aggregati fra loro costituendo livelli omogenei alternati, come nella foto qui accanto: fare analisi generali della massa rocciosa diventa quindi estremamente difficile a causa della disomogeneità dei livelli.

Il confronto in [6] fra la geochimica delle Islanditi,
dello gneiss di Idiwhaa e delle classiche TTG
LA SOMIGLIANZA FRA UNA PARTICOLARE TTG E ALCUNE ROCCE ISLANDESI RISOLVE IL PROBLEMA. Nel 2014 un lavoro ha finalmente gettato luce su questo aspetto perché nel nordovest canadese, gli Gneiss di Acasta, una delle rocce più vecchie che esistono sulla Terra, presentano al loro interno uno gneiss tonalitico in cui sono contenuti zirconi vecchi di oltre 4 miliardi di anni e che, nonostante il successivo metamorfismo, si presenta sostanzialmente omogeneo, lo Gneiss Tonalitico Idiwhaa ("tempi antichi" nel linguaggio aborigeno locale) [6] 

L’Idiwhaa è rimasto quasi miracolosamente lontano da disturbi tettonici, ed è differente dalle “normali” TTG:  i suoi minerali e le caratteristiche geochimiche ci dicono che è stato prodotto a bassa profondità. Ma la cosa più sorprendente è che le sue caratteristiche combaciano con quelle delle Islanditi, un tipo di roccia contenente più silice rispetto ai tipici basalti islandesi e che si è formata a bassa profondità per una cristallizzazione frazionata molto spinta di un magma basaltico, l’ibridizzazone con un fuso a maggior tenore di silice) e anche delle reazioni con una crosta superiore alterata da attività idrotermale, fatti questi ben dimostrati dal rapporto degli isotopi dell’ossigeno contenuti negli zirconi

Come si è formato il magma dello Gneiss di Idiwaa, da [6]
Nella figura qui accanto vediamo un diagramma schematico che illustra come si è formato lo gneiss tonalitico di Idiwhaa, da  [6]: 
1. fusi a composizione basaltica subiscono un frazionamento a bassa profondità nella crosta, per produrre magmi a composizione un po' più silicea arricchiti in Fe
2. si formano zirconi con un rapporto isotopico dell’ossigeno (δ18O) tipico del mantello
3. nella camera magmatica e durante la ulteriore risalita il magma assimila rocce precedentemente alterate da fenomeni idrotermali in zone in ci era circolata acqua proveniente dalla superficie
4. questa assimilazione diminuisce il δ18O del magma, producendo degli zirconi con un δ18O inferiore a quello del mantello

Lo gneiss di Idiwhaa si è quindi formato in una situazione sostanzialmente simile a quella dell’Islanda attuale, dando la prima evidenza geologica di quello che in molti avevano pensato e cioè che tra 4 e 2.5 miliardi di anni fa la prima vera crosta continentale silicea si è formata per cause molto diverse da quelle grazie alle quali si è formata crosta continentale dal proterozoico medio in poi in zone di collisione fra zolle. Insomma, le differenze geochimiche e mineralogiche fra le suites TTG e le rocce felsiche successive dimostrano una netta diversità nei rispettivi processi di formazione.


[1] Harrison (2009) The Hadean crust: Evidence from >4 Ga zircons. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 37, 479–505 
[2] Tang et al (2016) Archean upper crust transition from mafic to felsic marks the onset of plate tectonics Science 351, 372 – 375
[3] Dhuime et al (2012) A Change in the Geodynamics of Continental Growth 3 Billion Years Ago Science 335, 1334 – 1336 [4] Allen et al (2002) Plume-driven plumbing and crustal formation in Iceland Journal Of Geophysical Research 107, B8, 2163, 10.1029/2001JB000584 
[5] Casini et al (2015) Evolution of the Corsica–Sardinia Batholith and late-orogenic shearing of the Variscides Tectonophysics 646, 65–78  
[6] Reyminck et al (2014)  Earth’s earliest evolved crust generated in an Iceland-like setting Nature Geoscience 7, 529 – 533