Il vulcanismo europeo permiano e il suo contesto geodinamico

Nel post precedente ho illustrato la vasta presenza di rocce magmatiche del Permiano inferiore raggruppate nella provincia vulcanica permiana di Europa e NW Africa (EUNWA) e la loro connessione con il mantello terrestre, in particolare con la presenza di una zona calda posta oggi sotto l'Africa, TUZO. Adesso proviamo a cercare un legame di questa attività vulcanica con la tettonica del periodo e con quello che succederà in seguito.

LA PANGEA (ANCORA INCOMPLETA) DEL PERMIANO INFERIORE

fig.1 - il mondo nel Permiano superiore 

Questa è la paleogeografia del Permiano inferiore: dopo che tra Ordoviciano e Devoniano l'orogenesi caledoniana aveva sancito l'unione fra Laurentia, Baltica e Avalonia facendo nascere Euromerica (nora anche come Laurussia), a questo continente nel Carbonifero superiore si è aggregato il Gondwana. L'immagine qui a destra è di poco anterore a questa ultima collisione. Di conseguenza, lungo la zona dello scontro fra le due zolle si era formata una catena montuosa estesa dal Messico alla Polonia attraverso Spagna e Marocco, geologicamente nota come orogene Ercinico o Varisico. Più ad oriente le coste SE di Baltica, quelle meridionali di Siberia e Kazakistan  e quelle orientali del Gondwana erano bagnate da un oceano, la Paleotetide (attenzione: non siamo ancora alla Pangea, perché tra Euromerica, Siberia e Kazakhstan c'erano ancora dei bacini oceanici!)

VULCANISMO PERMIANO E ATTIVITÀ TETTONICA 

INTORNO ALLA CATENA ERCINICA NEL PERMIANO INFERIORE

Nel Permiano inferiore, 20 milioni di anni dopo la conclusione dell'orogenesi ercinica, a nord della catena ercinica, nell'odierna Europa Settentrionale, si è messa in posto la provincia magmatica dello Skagerrak, una “vera” Large Igneous Province, i cui prodotti affiorano fra Scozia, Norvegia e Germania settentrionale. Nello stesso periodo a sud della catena la provincia magmatica dell'Europa e dell'Africa di NW (EUNWA) ha formato una serie di rocce intrusive ed effusive tra Boemia, Italia,  Francia, Spagna e Marocco. I graniti del Lago Maggiore, il supervulcano della Valsesia e i graniti di Sardegna e Calabria sono fra i prodotti più noti che troviamo in Italia. 

fig. 2 - la futura area mediterranea nel Permiano
e il suo vulcanismo da [1]

Nello stesso periodo dell'attività vulcanica (305– 285 Ma) l'Europa Centrale è stata interessata da fenomeni estensionali guidati essenzialmente da faglie trascorrenti, che hanno profondamente modificato l'assetto della giovane catena ercinica (molti Autori parlano addirittura di un suo collasso) e si sono formati tra il Mare del nord e la Svizzera i cosiddetti “bacini permiani” [2]. 

Anche il versante meridionale è stato interessato dalla formazione di questi bacini, dove si sono messe in posto le vulcaniti italiane dell'epoca.

Andiamo ora nel Gondwana. Lungo la sua costa nordorientale, quindi a SE della catena ercinica, dal tardo Carbonifero si registra un cambiamento pesante: la formazione di una serie di rift alla fine ha aperto un nuovo braccio oceanico, la Neotetide, separando dal continente una serie di blocchi (Iran, Afghanistan, Karakorum, Qiangtang) che ora troviamo coinvolti nella catena alpino – himalayana tra il Mar Caspio e l'Himalaya [3]. 

Questi bacini per molti Autori si sarebbero aperti come riflesso dello spostamento del piano di subduzione della Paleotetide, analogamente a quella che è l'ipotesi più “gettonata” per la formazione dei bacini del Mediterraneo occidentale, un'idea che per il Permiano della costa del Gondwana non mi trova particolarmente d'accordo.

Negli anni passati sono state avanzate molte ipotesi per spiegare la presenza dei magmi di Skagerrak e EUNWA. Che quelli dello Skagerrak siano di origine mantellica non lo mette in dubbio nessuno, mentre quelli del Sudalpino e della Sardegna hanno spesso una affinità calcalcalina tipica della convergenza di zolle, per cui qualcuno li aveva addebitati a fasi finali della compressione. Ma ormai è chiaro che questa interpretazione è errata, perchè la maggior parte dei prodotti della EUNWA hanno (come quelli a nord della catena) una affinità alcalina e i vulcani si sono sviluppati lungo i bordi di bacini la cui formazione è stata controllata, come per i bacini permiani dell'Europa centro – settentrionale, dalla attività di faglie trascorrenti. L'affinità calcalcalina è dovuta a una forte contaminazione dei magmi con materiali della crosta. 

L'ORIGINE DEI MAGMI PERMIANI

Anche i graniti della Sardegna tagliano le strutture della catena ercinica e quindi ne sono posteriori ed appartengono ad un regime diverso da quello compressivo varisico.

Non vi è dubbio quindi che anche i magmi della EUNWA provengano dal mantello, anche piuttosto profondo. Ma perchè si sono formati? Ci sono due modelli di base sulla fusione del mantello;

• si innalza la temperatura 
• diminuisce la pressione sovrastante e quindi diminuisce la temperatura di fusione

Alcune ipotesi invocano un generico rialzo termico, altre pensano ad una decompressione dovuta al collasso della catena ercinica, magari coinvolgendo i vecchi piani di subduzione ancora presenti sia pure oramai inattivi, che avrebbero influito sulla riorganizzazione dei flussi termici e di materiale nel mantello sottostante alla catena (a pensarci bene potrebbero anche aver immesso acqua nel mantello, abbassandone la temperatura di fusione). In questa visione è la tettonica superficiale che induce il magmatismo. 

fig.3 - le zone calde permanenti del mantello

Ma c'è anche la soluzione opposta: è stato il mantello la causa e del magmatismo e della tettonica, in un dibattito sulla geodinamica del tipo “prima l'uovo o prima la gallina?” che ha appassionato tanti studenti di Scienze della Terra: "è la divergenza fra due masse continentali a provocare la formazione degli oceani e dei magmi o sono stati i magmi del mantello a provocare la rottura dei continenti?”

Bene, per quello che ho scritto nel post precedente, l'ipotesi del pennacchio di magma proveniente dal basso è, almeno in questo caso, lo scenario più realistico, perché nel Permiano queste zone erano direttamente sopra a TUZO, la zona calda permanente del mantello sopra la quale oggi c'è l'Africa.

UNA ZONA DI TAGLIO IN MEZZO ALLA PANGEA?

Fig.4: la sovrapposizione teorica di Gondwana e Euromerica ricavata
dai dati paleomagnetici [4]

Se consideriamo la Pangea di Wegener, i dati paleomagnetici rimettono bene a posto i continenti derivati dalla rottura del supercontinente fino al Permiano. Ma in tempi precedenti sembra che qualcosa non funzioni, perché Gondwana e Laurasia si sovrappongono parzialmente. Così, verso la fine degli anni '70 è stato proposto che tra quando la Pangea si è formata e quando si è successivamente frantumata ci siano stati dei movimenti interni: in particolare alla fine dell'orogenesi varisica America Meridionale e Africa erano posti più ad est di quanto lo fossero quando si sono di nuovo staccati dalla Laurasia [5]. Quindi la Pangea si sarebbe evoluta da una configurazione “Pangea B” alla fine del Carbonifero in una successiva “Pangea A” nel Permiano (ricordo che questa definizione è un po' forzata, visto che di Pangea vera e propria senza le parti asiatiche non si può parlare..) 

Fig.5: il taglio destro intra - pangeano  [4]

Questo cambiamento sarebbe avvenuto lungo una zona di taglio, praticamente una faglia trascorrente chiamata intra-Pangean dextral shear (taglio destro intra – pangeano, in sigla IPDS), come si vede in fig. 5.

La dislocazione sarebbe stata di ben 3000 km e siccome il tutto non sarebbe durato più di 30 milioni di anni se ne ricava una velocità fra le zolle di circa 10 cm/anno, che è già piuttosto alta ma potrebbe esserlo ancora di più se questa trascorrenza fosse esistita per un tempo minore.

Noto che anche nella zona fra Turchia e Himalaya alcuni movimenti dei blocchi derivati dalla fratturazione della costa nordorientale del Gondwana avrebbero raggiunto in quel periodo velocità fino a 17 cm/anno. 

Questa velocità estremamente alta è stata riconsiderata di recente, in uno studio paleomagnetico sui fusi generati dall'impatto di un meteorite al passaggio Permiano – Triassico nel Brasile centrale, il cratere Araguainha [6]. I dati ricavati con questo lavoro mostrano una longitudine differente per il Gondwana che riduce – e di parecchio – la lunghezza della trascorrenza intra – pangeana e – quindi, anche la sua velocità. 

Ci sono però molti Autori che sono semplicemente contrari a questo scenario, come per esempio il mitico Gérard Stampfli [7]; altri, in precedenza tendenzialmente molto favorevoli alla presenza di questa struttura, l'hanno riconsiderata grazie all'acquisizione di nuovi dati paleomagnetici [8]. 

IL TAGLIO DESTRO INTRAPANGEANO È ESISTITO DAVVERO?

A questo punto, notando due visioni molto diverse, c'è da chiedersi quale delle due sia giusta: lo scorrimento intra – pangeano sia  davvero esistito o no?

Penso di sì, che sia esistito, ma anche che sia stato molto più corto di quanto ipotizzato (e così anche meno problematico...). 

Innanzitutto possiamo dire che alla fine dello sviluppo di un orogene intracontinentale, quando non ci sono più spazi per una ulteriore compressione, una trascorrenza è un modo molto logico per accomodare gli sforzi residui. In questo caso il taglio destro intrapangeano potrebbe avere un significato simile a quello della faglia di Great Glen in Scozia, che si è evidenziata solo alla fine dell'orogenesi caledoniana o alla linea delle Giudicarie nelle Alpi. 

Inoltre tutti questi bacini permiani... insomma a me vederli nel quadro di un sistema di trascorrenze non mi dispiace affatto..

Vediamo questa figura: è il confronto fra vecchi e nuovi dati di Domeier & C. (fra gli Autori c'è anche Trond Torsvik, una garanzia quando si parla di geografia paleozoica).

Si nota tra Carbonifero e Permiano un certo scollamento dei dati, sicuramente più ridotto rispetto a prima ma sempre visibile. E, casualmente, questo scollamento dovrebbe avvenire nel Permiano inferiore, proprio durante la messa in posto dei basalti dello Skagerrak e dell'EUNWA.

Con TUZO abbiamo anche la pistola fumante: il calore e il magma provenienti dal mantello hanno indebolito ulteriormente la litosfera già stravolta dall'orogenesi varisica e la Pangea ha reagito muovendosi con una rottura che ha mosso i due settori in un regime trascorrente ma anche leggermente estensionale, che successivamente si è evoluto fino alla formazione dei bacini oceanici della Tetide mediterranea dal Triassico in poi.

Penso che anche la formazione dei rift della Neotetide, con il distacco di Iran, Afghanistan, Karakorum e Qiangtang dal Gondwana sia dovuto alla presenza di TUZO. 

La presenza del plume può spiegare anche la forte velocità delle zolle: come dimostra Faccenna BIB a proposito della elevatissima velocità dell'India immediatamente prima e dopo la messa in posto dei basalti del Deccan.

LA PALEOGEOGRAFIA DELL'EPOCA E UN ESEMPIO ATTUALE

fig.7: la costa pacifica del nordamerica e i cambiamenti
del limite della zolla pacifica

Ora c'è da chiedersi se c'è un qualcosa di analogo oggi sulla Terra a questo sistema del Permiano inferiore.

La paleogeografia dell'epoca fra il NE del Gondwana e la costa occidentale della Pangea centrale possa essere stato simile a quello che oggi si vede lungo la costa pacifica dell'America Settentrionale: la dorsale pacifica orientale entra nel Golfo di California, dove il limite tra la zolla pacifica e quella di Nazca si trasforma da estensionale a trascorrente lungo la faglia di San Andreas. È interessante vedere come a nord della faglia di San Andreas il limite fra la zolla pacifica e quella del nordamerica si sdoppia, con la compressione lungo la costa NW degli Usa e quella canadese (tra il Washington, l'Oregon e la British Columbia) e la formazione di crosta oceanica lungo la dorsale di Juan da Fuca poco più a largo. Questa terminazione settentrionale può essere un analogo della situazione nel NW africano, dove tra Mauritania e Guinea l'orogenesi varisica è perdurata fino al Permiano inferiore, durante l'attività del taglio destro intrapangeano.

Fig.8: il limite Gondwana - Euromerica nel Permiano
AF: Africa AR: Arabia NA: nordamerica EU Euromerica
SIB: Siberia CM: blocchi tra Iran e Tibet
da [1]

Quindi l'inizio della nuova separazione fra Euromerica e Gondwana è avvenuto lungo una trascorrenza destra intra – pangeana più ristretta nello spazio rispetto a quella ipotizzata dalla letteratura e che, come la attuale faglia di San Andreas, era la continuazione trascorrente del limite divergente costituito dalla dorsale che faceva da centro di spreading della Neotetide. Il tutto è stato dovuto alla debolezza della litosfera locale, appena interessata dall'orogenesi ercinica e che doveva pure  fare i conti con il sottostante plume del mantello. Questa immagine da [1] illustra la situazione dell'epoca.

[1] Segev (2002) Flood basalts, continental breakup and the dispersal of Gondwana: evidence for periodic migration of upwelling mantle flows (plumes) EGU Stephan Mueller Special Publication Series, 2, 171–191, 2002

[2] Pascal et al. 2006 Post-Variscan (end Carboniferous – Early Permian) basin evolution in Western and Central Europe. Geological Society, London, Memoirs, 32, 355–388
[3] Muttoni et al 2009 Opening of the Neo-Tethys Ocean and the Pangea B to Pangea A transformation during the Permian GeoArabia, v. 14, no. 4, 2009, p. 17-48
[4] Muttoni et al 2003 Early Permian Pangea ‘B’ to Late Permian Pangea ‘A’Earth and Planetary Science Letters 215 (2003) 379-394

[5] Irving 1977. Drift of the major continental blocks since the Devonian. Nature, v. 270, p. 304-309.

[6] Yokoyama et al Palaeomagnetism of the Permo-Triassic Araguainha impact structure (Central Brazil) and implications for Pangean reconstructions. Geophysical Journal international doi: 10.1093/gji/ggu125

[7] Stampfli et al 2013 The formation of Pangea Tectonophysics 593 1–19 
[8] Domeier et al 2012 Paleomagnetism and Pangea: The road to reconciliation Tectonophysics 514–517 (2012) 14–43