L'attività di Large Igneous Province in Europa nel Paleozoico e i suoi rapporti con TUZO, il “superswell” africano

Nel 1991 Coffin e Eldhom hanno introdotto il concetto di “Large Igneous Provinces”, inserendo nello stesso contesto i Flood Basalts continentali e i grandi Plateau oceanici (1). In seguito si è visto che la distribuzione di queste mega eruzioni non è casuale ma essenzialmente si raccoglie con poche eccezioni sopra due zone in cui abbiamo una risalita di materiale caldo del mantello (superswell) che influenzano molto pesantemente la tettonica globale (2), ad esempio provocando la frammentazioni “improvvisa” di masse continentali di lunga persistenza come alcune aree del vecchio supercontinente Rodinia e del Gondwana. Ci sono resti di strutture e rocce magmatiche che testimoniano il passaggio di alcune zolle continentali sopra questi Superswell. In questo post mi occupo di quanto affiora tra l'Europa Settentrionale e l'Africa e che dimostra il passaggio di una serie di masse continentali sopra la zona di risalita oggi posta sotto l'Africa e le sue conseguenze sulla tettonica globale.  

Fig. 1: Le LIP paleozoiche di Baltica (4) 

LE LARGE IGNEOUS PROVINCES DI BALTICA DALL'EDIACARIANO AL TARDO PALEOZOICO. La separazione fra Baltica, Laurentia e Amazonia è avvenuta nell'Ediacariano medio: filoni di affinità tholeiitica e alcaline affiorano nel basamento della Scandinavia, in terreni alloctoni dell'orogene Caledoniano e in Nord America nei dintorni del fiume San Lorenzo: sono datati a 620 – 600 Ma e possono essere interpretati come un sistema di rift che ha preceduto la divisione della massa continentale.

In questo post ho parlato della storia paleozoica della zolla baltica, sulla quale dopo la sua separazione e durante la deriva verso nord, si sono messe in posto diverse Large Igneous Provinces (d'ora in poi indicate con la sigla LIP). È probabile che la più antica di queste sia rappresentata dalle rocce alcaline di Seiland dell'Ediacariano medio (570 my ago), un evento molto breve che probabilmente si è accompagnato ad una tettonica estensionale (3). Ma non è chiaro a che distanza da Baltica è avvenuto tutto questo perché le rocce di Seiland si trovano nelle falde alloctone delle caledonidi e non è (ancora?) dato sapere a che distanza dalla costa di Baltica è avvenuto tutto questo. 

Altre principali LIP della Baltica sono i basalti di Volyn  tra Moldavia, Ucraina e Bielorussia (tardo? Ediacariano), la provincia alcalino – carbonatitica di Kola tra il NW russo e la Finlandia orientale (Devonian), il mega – rift di Prypiat – Dniepr – Donets tra Ucraina e russia meridionale  (Late Devonian), le rocce alcaline del bacino di Lublino tra Ucraina e Polonia (Carbonifero inferiore) e i basalti dello Skagerrak intorno al Mare del Nord tra Scozia, Norvegia e Germania (passaggio Carbonifero – Permiano). Alcune si vedono in questa carta tratta da (4).

PERMO – TRIAS: L'ATTIVITA SI SPOSTA “VERSO SUD” A LATITUDINI MEDITERRANEE. Nel Permo – Trias troviamo un vulcanismo sporadico ma di forte intensità nella piattaforma scitica e a nord del Caucaso, quindi a SE di Baltica (ormai aggregata nella Laurasia). Un'altra area importante di vulcanismo permo – triassico la troviamo nelle Alpi Occidentali, con i prodotti alcalini della zona Ivrea – Verbano tra Piemonte e Canton Ticino, dove ci sono tracce di attività vulcanica piuttosto intensa (ad esempio in Valsesia).

Sporadiche tracce di attività vulcanica si evidenziano anche in quello che era allora il bordo settentrionale dell'Africa.

Alla fine del Triassico si colloca l'attività della Provincia Magmatica dell'Atlantico Centrale, grazie alla quale termina la breve unione nel supercontinente di Pangea di Laurasia e Gondwana. Di fatto l'attività estensionale continua nella zona del Mediterraneo e nei Caraibi con l'apertura del sistema di piccoli bacini che formeranno tra Triassico e Giurassico la Tetide. La formazione di questi bacini si è conclusa entro il Cretaceo medio. Per tutto il Mesozoico sparse tracce di attività magmatica alcalina o tholeiitica si trovano nel settore italiano delle Alpi e negli Appennini, fino alla Sicilia. 

LA FORTE ATTIVITÀ DI LIP TRA GIURASSICO E CRETACEO E LA FRAMMENTAZIONE DEL GONDWANA. Nel Giurassico è avvenuto uno dei principali eventi nella storia della Terra, la frammentazione del Gondwana: per tutto il Paleozoico il grande continente ha continuato – diciamo così – a perdere dei pezzi (per esempio, ma non solo, Cimmeria e Avalonia) con l'apertura di piccoli bacini i cui resti si trovano nelle catene montuose tra la Turchia e l'Hymalaia, ma questo è nulla rispetto all'improvvisa frammentazione avvenuta nel Giurassico, grazie alla quale è iniziata l'apertura dell'Atlantico meridionale e dell'Oceano Indiano. Questo evento è stato accompagnato da una forte attività di LIP (ad esempio Paranà – Etendeka, Karoo – Ferrar, Madagascar, Deccan, plateau Caraibico e Kerguelen), l'ultima delle quali è rappresentata dai basalti dell'Afar. 

Fig. 2: I due superswell sotto l'Africa e sotto il Pacifico da (2)

IL LEGAME FRA GEOTETTONICA E PASSAGGIO DELLE ZOLLE SOPRA IL SUPERSWELL AFRICANO. Vediamo ora di tracciare un legame fra questi eventi vulcanici e la tettonica globale.

Per prima cosa notiamo che mentre su Baltica c'è stata nel Paleozoico una intensa attività di LIP e rifting, in Laurentia ci sono pochissime tracce di ciò: il rift del Lago Superiore che però è molto antico, più di quanto ci interessi (oltre un miliardo di anni fa); perciò l'unica che conosco è la Wrangellia, che appartiene ad un terrane agglomerato nella parte occidentale dell'America nel Mesozoico. 

La circostanza interessante è che la geografia attuale ci suggerisce un trend in direzione NS: gli eventi più antichi di Baltica (nel Paleozoico inferiore) si trovano molto a nord, poi l'attività scende verso la parte meridionale del continente nel Paleozoico medio per poi arrivare nella sua parte meridionale nel Paleozoico superiore. Tra Permiano e Trias sono coinvolte la parte meridionale di Baltica e quella settentrionale dell'Africa, tra Giurassico e Cretaceo inferiore l'area caraibico - mediterranea dei bacini della Tetide e, successivamente, si frattura il Gondwana. 

Ma è altrettanto interessante la circostanza che tutte queste LIP si sono messe in posto quando le relative zolle erano posizionate a latitudini subtropicali o tropicali: per esempio il centro della provincia dello Skagerrak si trovava all'epoca delle eruzioni più o meno dove ora si trova il Lago Ciad (5). Quindi l'apparente movimento verso sud dell'attività riflette il movimento verso nord delle zolle.  

La presenza di due aree del mantello, sotto l'Africa e sotto l'Oceano Pacifico, caratterizzate da bassa velocità delle onde sismiche e da correnti di risalita di materiale da profondità superiori era stata dimostrata fin dagli anni '80. Nel 2006 Torsvik e altri Autori (6) dimostrarono come la maggior parte degli eventi di LIP degli ultimi 200 milioni di anni si siano messi in posto al di sopra di queste due ristrette aree, identificate come LLSV (Large Low Shear Velocity Provinces – grandi province a bassa velocità delle onde di taglio). Recentemente sono state ridenominate African Swell e Pacific Swell: questo nuovo termine focalizza maggiormente l'attenzione sulla risalita di materiali dal profondo che sulle loro caratteristiche geofisiche. e poi anche battezzate con il nome di TUZO (The Unmvoved Zone Of Earth's deep Mantle) il primo, in onore del grande e - non solo da me - amatissimo John Tuzo Wilson e JASON (Just As Stable ON) il secondo, in onore di un altro famosissimo geofisico, Jason Morgan (7).  

Questi superswell sono una caratteristica piuttosto antica, come dimostrano le LIP disperse in tutti gli angoli della Terra che dimostrano il passaggio delle varie zolle al di sopra di loro, almeno nell'ultimo miliardo di anni della storia della Terra. 

L'attività magmatica può essere saltuaria e sparsa come succede negli ultimi milioni di anni nella regione del Sahara, che ho descritto qui o come le lave cretacee di Castiglioncello del Trinoro in Toscana meridionale; ma talvolta la sequenza degli eventi è più complessa: 

• formazione di una struttura di rift intracontinentale
• messa in posto di flood basalts continentali
• rottura e separazione di due continenti 
• e, finalmente, la formazione di un nuovo oceano lungo l'asse determinato dalla posizione di vari centri di LIP più o meno contemporanei

Naturalmente tutte le catene di eventi sono complete: abbiamo oggi situazioni che vanno da resti di piccoli centri isolati fino a LIP distribuite nei margini opposti degli oceani che circondano l'Africa come la Provincia dell'Atlantico Centrale, i basalti del Paranà – Etendeka e di Karoo – Ferrar. 

Possiamo così spiegare la distribuzione attuale delle LIP tra l'Eurasia occidentale, le Americhe e l'Africa e la storia tettonica di entrambe le sponde dell'Atlantico come effetti superficiali del passaggio delle zolle sopra il superswell africano. 

Fig. 3: la posizione di Baltica e Laurentia nel Neoproterozoico da (7) 

La rottura fra Baltica e Laurentia è avvenuta ad alte latitudini meridionali, come si vede dalla figura 3 , tratta da (7). Non è irrealistico pensare che questa posizione fosse vicina a quella della zona tra le isole Bouvet e Marion, tra Africa e Antartide e il plateau delle isole Kerguelen: in questo quadro la separazione sarebbe avvenuta al primo incontro fra il continente che si è poi rotto e la parte più meridionale del superswell africano. 

LE VARIE FASI DEL RAPPORTO FRA ZOLLE E SUPERSWELL AFRICANO NEGLI ULTIMI 650 MILIONI DI ANNI, DALL'EDIACARIANO AD OGGI. Possiamo quindi riconoscere preliminarmente 5 fasi nell'evoluzione del rapporto fra eventi tettonici e Superswell africano negli ultimi 650 milioni di anni:

Fig. 4: i rift di Baltica variamente orientati:
un modello per la formazione dei bacini tetidei? 

1. tardo Neoproterozoico: l'arrivo nella zona del superswell africano del blocco formato da Baltica, Laurentia  e Amazonia ne provoca la separazione
2. Ediacariano e Paleozoico: passaggio di Baltica sul superswell, formazione dei rift interni al continente e messa in posto delle varie LIP  
3. Permo – Triassico: magmatismo nell'area mediterranea e nella piattaforma scitica, accompagnato da fenomeni di rifting in tutto il dominio australpino 
4. Giurassico – Cretaceo inferiore: formazione dei bacini oceanici del complesso della Tetide fra Caraibi e Caucaso in un sistema complesso che secondo me potrebbe essere modellizzato come i rift di Baltica visibili nella carta di fig.4: parecchi bacini a varia orientazione hanno provocato la frammentazione dei margini della Tetide e la formazione di piccole masse continentali isolate e non un sistema legato principalmente a due grandi margini continentali. Episodi di vulcanismo intraplacca in tutto il sistema appenninico – maghrebide 
5. dal Cretaceo superiore a oggi: l'evoluzione dei rift intorno all'Africa porta all'aperture di nuovi bacini oceanici dopo la frammentazone del Gondwana e. a causa delle spinte conseguenti, alla chiusura di quelli tetidei

Ognuna di queste fasi è caratterizzata dall'arrivo a un certo livello della catena degli eventi vulcano - tettonici: nel tardo Proterozoico la rottura del blocco Laurentia – Baltica – Amazonia ha generato l'Oceano Giapeto e quello di  Tornquist, come nel Mesozoico i vari bacini della Tetide e, in seguito, l'Oceano Atlantico e quello Indiano (ed è possibile che l'oceano da cui derivano i terranes oceanici dell'orogenesi timanide dell'Ediacariano dell'attuale margine settentrionale di Baltica derivino da una situaizone simile). Nel Paleozoico invece su Baltica non si è mai andati oltre il rifting e la produzione di imponenti colate basaltiche, senza quindi l'ulteriore frammentazione del continente.

Ci sono stati quindi, al passaggio sopra il superswell, dei comportamenti magmatici e tettonici molto diversi. Per spiegare queste differenze ci possono essere diverse ipotesi. Ne presento 3:

1. impulsi più o meno violenti nell'attività del superswell 
2. i movimenti nella part superiore del mantello sono diversi quando ci pass sopra un continente ristretto come Baltica o una grande massa continentale come il Gondwana o l'insieme pre – divisione di Baltica, Laurentia e Amazonia 
3. Baltica non si è spezzata perché intorno zone a deformazione compressiva hanno prevenuto l'espansione dei rift

Ma, naturalmente, ci possono essere altre soluzioni... 

Bibliografia:

(1) Coffin M.F., Eldholm, O. (eds.), 1991, Large Igneous Provinces: JOI7USSAC workshop Report. The University of Texas at Austin Institute for Geophysics Technical Report No.114

(2) Faccenna C. et al., 2013, Mountain building and mantle dynamics. Tectonics 32, 1–15

(3) Roberts (2007) Palaeocurrent data from the Kalak Nappe Complex, northern Norway: a key element in models of terrane affiliation. Norwegian Journal of Geology, vol. 87, pp. 319-328

(4) Kravchinsky 2012 Paleozoic large igneous provinces of Northern Eurasia: Correlation with mass extinction events Global and Planetary Change 86-87 (2012) 31–36

(5) Torsvik et al. 2007 Long term stability in deep mantle structure: Evidence from the ~300 Ma Skagerrak-Centered Large Igneous Province Earth and Planetary Science Letters 267 (2008) 444 – 452

(6) Torsvik et al. 2006 Large igneous provinces generated from the margins of the large low-velocity provinces in the deep mantle Geophys. J. Int. (2006) 167, 1447–1460

(7) Burke K (2011) Plate Tectonics, the Wilson Cycle, and Mantle Plumes: Geodynamics from the Top. Ann Rev Earth Planet Sci 39:1–29.

(8)  Elming et al (2007) Palaeomagnetism and 40 Ar/ 39 Ar age determinations of the Ediacaran traps from the southwestern margin of the East European Craton, Ukraine: relevance to the Rodinia break-up Journal of the Geological Society, London, Vol. 164, 2007, pp. 969–982.