la prima crosta terrestre e la formazione dei Cratoni

La tettonica a placche consiste, banalmente, nel movimento relativo, e quindi negli scontri e nelle separazioni fra un gruppo di “cosi” archeani, noti come cratoni, che rappresentano i primi nuclei di crosta continentale. Alcuni di questi blocchi si sono uniti oltre 2 miliardi di anni fa e da allora non si sono mai divisi, mentre la storia di altri è molto più errabonda. Intorno ai cratoni, durante i periodi di convergenza fra le placche le orogenesi hanno formato nuova crosta continentale. I cratoni si si sono tutti stabilizzati entro 2,5 miliardi di anni fa e il mantello litosferico sotto di essi è piuttosto particolare, sintomo di condizioni esistenti solo a quell’epoca. Vediamo come questi antichi nuclei di crosta continentale si sono formati.

L'Archeano è molto lontano, ma copre una bella fetta della storia della Terra

Sebbene le tracce di crosta terrestre anteriori a 4 miliardi di anni siano assenti dalla documentazione rocciosa, abbiamo prove indirette che suggeriscono già nell’Adeano, l’eone che raccoglie i primi 500 milioni di anni della storia della Terra, la presenza di una crosta di tipo basaltico: si tratta essenzialmente della composizione isotopica di zirconi e di altri minerali inclusi in rocce di poco successive, che vedremo in seguito.

DEFINIZIONE DI CRATONI: i cratoni sono regioni stabili di rocce continentali vecchi almeno 2,5 miliardi di anni. Questa crosta primitiva era abbastanza spessa e calda da sciogliersi parzialmente in profondità per formare almeno piccoli volumi di magmi quarzoso-feldspatici come tonaliti e trondhjemiti.

Li vediamo in questa carta tratta da Frost et al (2023): come si vede dopo di loro di crosta continentale se ne è formata tanta, ma è molto diversa.

i cratoni presenti sulla Terra, da Frost et al (2023)

IL CRATONE DEL WYOMING. Molti cratoni si trovano in luoghi remoti e relativamente inaccessibili, ma soprattutto presentano in genere un rilievo topografico minimo, entrambi fattori che limitano le possibilità di studiarli. Il cratone del Wyoming, esteso poco meno dell’Italia intera e con uno spessore della crosta fino a 50 km, è una notevole eccezione, perché l’area dove si trova è stata esposta diverse volte dalla fine del Mesozoico ad oggi a fenomeni di sollevamento e tutt’oggi il paesaggio montagnoso consente tramite ottimi affioramenti di realizzare sezioni tridimensionali verticali a scala chilometrica della sua crosta Archeana.

Grazie a questa situazione favorevole è stato possibile ricostruire una serie di eventi che lo hanno interessato prima di 2,5 miliardi di anni fa.

La storia del cratone del Wyoming inizia tra 3,5 e 3,3 miliardi di anni fa con gli eventi che hanno portato alla formazione delle TTG: si tratta di magmi silico-alluminosi, comprendenti essenzialmente Trondhjemiti, Tonaliti e Granodioriti. Le TTG sono caratteristiche dell’Archeano, e in quell’area si sono messe in posto principalmente in due fasi: tra 3,500 e 3,450 miliardi di anni e tra 3,3 e 3,2 miliardi di anni. Non mi consta che da nessuna parte esistano TTG “originarie”, ma solo rocce magmatiche successivamente metamorfosate diventate gneiss, quindi la datazione che si ricava, essendo quella del metamorfismo, è più giovane di quella della loro formazione come magmi. Il risultato finale del magmatismo TTG è stato la formazione di un esteso nucleo continentale, nel Wyoming come negli altri cratoni.

Tra 2,86 e 2,84 miliardi di anni fa compaiono per la prima volta nel Wyoming archi magmatici continentali, con la formazione di imponenti blocchi di rocce intrusive di tipo moderno, simili ai batoliti (come quelli delle Ande e dell’Himalaya) a composizione molto variabile, da gabbri a graniti e granodioriti. Da notare che, come nei moderni archi continentali, questi magmi appartengono alla serie calcalcalina. Tali caratteristiche evidenziano come all’epoca erano già presenti i processi della tettonica a placche (sul cui inizio parlerò in un prossimo post).

Tra 2,64 e 2,60 milioni di anni fa nel Wyoming si sono formate due suite intrusive composte interamente di granito fortemente peralluminoso. Data l’età è probabile che queste rocce marchino la collisione del cratone del Wyoming con quello del Lago Superiore, che ha avuto come conseguenza la creazione del supercratone Superia (Ernst e Bleeker, 2010). I cratoni del Wyoming, del Lago Superiore, di Rae-Hearne e degli Schiavi sono ancora uniti da quell’epoca e sono il nucleo fondativo del Nordamerica.

non esistono più le TTG originarie,
 ma rocce metamorfiche da loro derivate

LE TTG (TRONDHJEMITI – TONALITI – GRANODIORITI) E IL LORO SIGNIFICATO. Queste rocce magmatiche si sono formate soltanto in un periodo ristretto della storia della Terra. Le più antiche conosciute sono state metamorfosate 4 miliardi di anni e si trovano nel Canada.

Attualmente si pensa che la formazione di magmi come le TTG richieda la fusione parziale di un materiale di tipo basaltico in presenza di acqua a profondità maggiori di 30 km (Moyen e Martin, 2012). Questo implica una situazione simile a quella dei moderni plateau oceanici, che presentano un forte spessore di crosta oceanica. I dati geochimici del cratone del Wyoming suggeriscono che entro la fine dell’Adeano (e quindi prima di 4 miliardi di anni fa, quando si sono formate le prime TTG) la Terra si era già differenziata in un mantello e in una crosta che, semplificando al massimo, si potrebbe definire simile a quella oceanica attuale. Inoltre questa crosta primitiva era abbastanza spessa e calda da fondersi parzialmente in profondità per formare almeno piccoli volumi di fusi tonalitici e trondhjemitici, da cui si sono cristallizzati gli zirconi più antichi (uno zircone è per sempre: si tratta di cristalli estremamente resistenti sia alla temperatura che all’alterazione, per cui passano “di roccia in roccia” senza grandi modifiche).

Poiché i plateau oceanici attuali si sono formati per una massiccia e veloce risalita di magmi dal mantello, è possibile che questa crosta primitiva preesistente alle TTG si sia formata allo stesso modo e che quindi la tettonica globale iniziale potrebbe essere stata dominata da movimenti verticali del mantello (Korenaga, 2021).

LA TERRA FRA ADEANO E ARCHEANO: LA FORMAZIONE DEI CRATONI. Studiando la documentazione Archeana del Wyoming e di altri cratoni, Frost et al (2023) identificano tre fasi di formazione della crosta il cui risultato sono appunto i cratoni, spessi e stabili, visibili nella figura qui sotto.

A. La prima crosta di tipo “basaltico” si formò all'inizio della storia della Terra e divenne abbastanza spessa nel tardo Adeano-Eoarcheano (prima di 4 miliardi di anni fa) da consentire la fusione delle sue parti più profonde e la formazione dei magmi della serie TTG. La geochimica degli zirconi di quel periodo indica che questa crosta si è rapidamente differenziata dal mantello.

B. nel successivo “Stadio TTG”, entro 3,5 miliardi di anni fa la crosta mafica iniziale è stata arricchita da grandi volumi di magmi di tipo TTG, la cui produzione ha coinvolto sia parti della crosta basaltica dell'Adeano che materiali provenienti dalla fusione parziale del mantello sottostante. Nel mantello questo processo ha prodotto una litosfera residua particolare che è sopravvissuta fino ai nostri giorni attraverso tutti i cicli geodinamici successivi.

L’acme della produzione delle TTG finisce 3,5 miliardi di anni fa, anche se sporadicamente se ne trovano fino a 2 miliardi di anni fa.

C. INIZIO DELLA TETTONICA A PLACCHE ATTUALE. La formazione dei cratoni e delle loro spesse radici litosferiche ha preceduto la terza fase della formazione dei continenti, in cui sono iniziati i processi di tettonica a placche moderni. A causa di questi processi nel cratone del Wyoming sono conservati numerosi aggregati rocciosi caratteristici degli ambienti di tettonica a placche convergente a partire da ca. 2.8 Ga, tra cui:

• batoliti dell'arco continentale
• scontro e amalgamazione di blocchi continentali diversi nelle zone di collisione continente-continente, spesso separati da “greenstone belt”, fasce interpretate come sezioni crostali basaltiche intrappolate dalle collisioni, un pò come le moderne serie ofiolitiche derivate da crosta oceanica “strizzata” nella collisone fra due continenti
• produzione di graniti originati dalla fusione parziale di rocce sedimentarie metamorfosate

Come con l'inizio della formazione del TTG, anche lo stadio “moderno” della tettonica a placche sembra essere iniziato in tempi leggermente diversi su cratoni diversi. La litosfera dei cratoni da allora è rimasta stabile.

In sintesi, la documentazione rocciosa archeana del Wyoming e di altri cratoni suggerisce che entro 3 miliardi e mezzo di anni fa la Terra abbia sviluppato:

• più tipi di serbatoi magmatici
• alcuni settori la cui litosfera particolare è sostanzialmente rimasta uguale fino ad oggi (appunto i cratoni) 
• e che entro 2 miliardi e mezzo di anni fa la crosta continentale terrestre abbia iniziato a registrare le caratteristiche essenziali dei moderni processi tettonici a placche.

BIBLIOGRAFIA

Bedrosian & Frost (2022) Geophysical extent of the Wyoming Province: Insights into ancient subduction and craton stability. Geologi cal Society of America Bulletin, B36417.1.

Ernst & Bleeker (2010). Large igneous prov- inces (LIPs), giant dike swarms, and mantle plumes: Significance for breakup events within Canada and adjacent regions from 2.5 Ga to the present. Canadian Journal of Earth Sciences, 47, 695–739,

Frost et al (2023). Creating continents: Archean cratons tell the story. GSA Today, v. 33, 1

Moyen & Martin (2012). Forty years of TTG research. Lithos, 148, 312–336

Korenaga (2021). Hadean geodynamics and the nature of early continental crust. Precambrian Research 359, 106178

la non brillante situazione dell'Italia in base ai grants del Consiglio Europeo delle Ricerche

Il Consiglio europeo delle ricerche ha appena fornito i risultati sulle ricerche premiate come “Advanced Grants” per il 2023. Non è “robetta”, perché si tratta di finanziamenti che arrivano a 2 milioni e mezzo di euro per ricerche di 5 anni. Il quadro per l’Italia è desolante, sia per il numero di ricerche premiate che, soprattutto, per il numero delle borse che verranno svolte nel nostro Paese. Vediamo perché.

Parlando dell’Italia come il Paese di santi, poeti e navigatori, ci si dimentica volutamente del fatto che nel passato la nostra nazione ha dato tantissimo anche alla ricerca scientifica e tecnologica, già agli albori di quando la Scienza ha sostituito la filosofia naturale, proprio partendo da Galileo e dalla sua mania di mettere i fatti davanti alle idee. Evito di citare dei nomi perché sarei costretto a scrivere un lungo elenco, con personaggi noti ma anche altri meno noti il cui ruolo è stato fondamentale. 

Questa dimenticanza ha come grave conseguenza l’inadeguatezza del nostro Paese rispetto al mondo scientifico attuale e le classifiche ricavate in base a questi risultati spiegano più di altro il motivo del perché siamo un paese in declino: rivolta al passato, la classe dirigente non capisce che la ricerca scientifica e tecnologica è necessaria per “fare PIL” e non diventare terreno di conquista da parte di chi ha più soldi, fatti proprio grazie alla ricerca scientifica e tecnologica e alle sue ricadute (ad eccezione di chi i soldi li fa vendendo risorse minerarie, a partire dai magnati del petrolio)

A prima vista in classifica non sembriamo messi male, visto che l’Italia è quarta per numero di premiati. Ma è una pia illusione, dovuta al fatto che siamo un Paese con un numero di abitanti molto elevato per gli standard europei. In realtà andiamo MOLTO male: a nazioni piccole come Austria, Irlanda o le scandinave, bastano pochi vincitori per scendere sotto il milione di abitanti per borsa, la Germania ne ha uno ogni 1,6 milioni, mentre noi ne riceviamo uno ogni 2,7 milioni di abitanti: peggio di Portogallo e Grecia, solo la Spagna ha riportato un risultato ancora peggiore.

Se nella classifica per nazionalità dei vincitori dei grant quindi in realtà andiamo malissimo, in quella delle nazioni sede delle ricerche premiate il risultato dell’Italia è semplicemente indecente: solo 12 borse avranno sede nel nostro Paese, circa una ogni 5 milioni di abitanti. Germania, Regno Unito e Francia si collocano a circa una borsa ogni milione e mezzo di abitanti, mentre Austria e Paesi Bassi ne hanno una ogni 700.000 abitanti: con lo stesso rapporto abitanti / borsa dell’Austria, l’Italia avrebbe 85 borse, altro che 12. 

Ricordo inoltre che la maggior parte dei nostri ricercatori che vivono all'estero hanno studiato in Italia e quindi utilizzato i fondi pubblici italiani. Ma lavorando all'estero "fanno PIL" per altre nazioni che se li sono ritrovati gratis. Insomma, abbiamo speso per far guadagnare altri Paesi, un grande risultato economico non c'è che dire ...

Per questo l’Italia è desolatamente in coda e non di poco alla classifica della differenza fra nazionalità dei premiati e sede dei premi. Eccellente il Regno Unito, che evidentemente Brexit o non Brexit sa benissimo come attrarre ricercatori, ma anche Austria e Francia se la passano molto bene, mentre sorprendentemente la Germania è “neutra”.

Queste classifiche sono semplicemente allarmanti, perché sanciscono il fatto che siamo un Paese in tragica sofferenza dal punto di vista della ricerca scientifica. Il tuttto succede semplicemente per la tragica mentalità imperante dal punto di vista culturale proveniente ancora dalla concezione assurda di benedetto croce (volutamente con le iniziali minuscole), la persona che nel ‘900 ha fatto dei danni incredibili con la sua riforma scolastica. Questo purtroppo ancora osannato filosofo, del quale penso tutto il peggio di cui sono capace, considerava la Scienza e la Tecnologia come saperi minori rispetto alla cultura umanistica (gli scienziati per lui erano menti minute, mica come lo storico e il flosofo e la scienza “non vivifica l’intelletto” … eh, la Peppa..). E ha sancito il suo pensiero nella riforma che all’inizio degli anni ‘20, depotenziò a scuola lo studio di Scienza e Tecnologia. 

E così l'Italia è stata condannata alla decadenza da quando hanno iniziato ad andare al potere le generazioni che conoscevano bene storia e filosofia, ma poco scienza e tecnologia grazie a quella sciagurata riforma scolastica, dopo che solo pochi anni prima il nostro Paese aveva dato Marconi, Mercalli e il gruppo di Via Panisperna (tacendo del radar, scoperto da Nello Carrara 10 anni prima degli inglesi ma rifiutato dalla nostra marina militare), e che nonostante fosse prostrato da una guerra persa che lo aveva distrutto, è stato il primo a inviare un veicolo nello spazio dopo USA e URSS, era protagonista assoluto agli albori dell’informatica e fra i primi al mondo in diversi settori. Dove vogliamo andare se per molti soggetti era un vanto non saper risolvere una equazione (ovviamente di primo grado, eh, non andiamo troppo in là).

Di fatto la classe dirigente la pensa ancora così e se si vede dalle occasioni che abbiamo perso dal dopoguerra ad oggi, a partire dall’informatica, e da altri aspetti, come parlamentari di spicco che dicono che è meglio non studiare ma fare mestieri artigiani, gli stipendi bassi del personale tecnico – scientifico rispetto agli altri Paesi e pure anche dal modo in cui le notizie scientifiche sono trattate su stampa e telegiornali e quant’altro. 

Ad esempio vorrei vedere se in altre nazioni stampa ed enti locali darebbero fiducia a fenomeni da baraccone come successe per Giampaolo Giuliani e le sue false previsioni sismiche fatte con una scatola di piombo, per il caso “Stamina”, per la lotta agli scienziati che lottavano in Puglia contro la Xylella o per altre nefandezze, propagandate in nome della “libertà di opinione”

Il tragico riflesso è che la politica preferisce fornire risorse una tantum per rottamazioni, bonus e quant’altro anziché a settori come ricerca & sviluppo o a investimenti strutturali (a parte qualche marchetta elettorale).

L’Europa investe di più nella ricerca, l’Italia invece di meno. In un contesto generale di più spesa per ciò che serve innovazione e competitività, il Paese taglia laddove la doppia transizione verde e sostenibile consiglierebbero invece di investire. Nel 2022 l’Ue nel suo complesso ha speso 352 miliardi di euro in ricerca e sviluppo (R&S), il 6,34 per cento in più rispetto all’anno precedente (331 miliardi di euro). In questo andamento generale l’Italia si distingue per un deficit da 76,2 milioni di euro. La spesa tricolare è scesa dai 25,991 miliardi del 2021 ai 25,915 miliardi del 2022. Nell'immagine i dati del 2021.

L’Italia del 2022 è 18esima su 27 per percentuale di Prodotto interno lordo investito in ciò che serve per accrescere il potenziale competitivo ed economico (ed era 13a nel 2021...). Ma senza ricerca & sviluppo non si inventano nuovi prodotti o nuovi processi, non si migliorano quelli esistenti e l'unico modo per restare competitivi è strizzare fornitori e dipendenti. Nel 2022 ricerca e sviluppo hanno interessato l’1,3 per cento del Pil, oltretutto in calo (-0,1 per cento rispetto al 2021). Anche qui l’Italia non regge il confronto con li Paesi più grandi della UE (Germania 3,1 per cento, Francia 2,1 per cento), ed è lontano da Belgio e Svezia, membri Ue col più alto livello di investimento nel settore (3,4 per cento del Pil).

Abbiamo sentito persino presidenti del consiglio ed economisti di grido dire “a cosa ci serve la ricerca scientifica e tecnologica quando facciamo le scarpe più belle del mondo?”.

Dove vogliamo andare? Ci bastano il turismo (peraltro non certo organizzato bene e che fa posti di lavoro con salari da fame) e “le scarpe più belle del mondo”?

A questo ultimo proposito invito questi fenomeni a visitare oggi i comparti calzaturieri di Toscana e Marche, per esempio…

EDIT: qualcuno mi ha suggerito che in Italia il settore Ricerca & Sviluppo è particolarmente ostacolato da una burocrazia spesso demenziale. È una osservazione assolutamente veritiera anche questa...

l'emersione dagli oceani della prima crosta terrestre già 4 miliardi di anni fa

Prima dell'instaurarsi della tettonica a placche la superficie terrestre era completamente ricoperta dal mare e sul pianeta era presente solo una crosta di tipo oceanico. Ad un certo punto è iniziata l'attività tettonica e qualcosa ha iniziato ad emergere dal mare. Quando è successo? Non è possibile saperlo direttamente, ma possiamo trovare dei dati indiretti: le prime terre emerse venivano già bagnate dalle piogge e quindi ad doveva per forza essersi instaurato un ciclo idrologico con la presenza di acqua dolce. Quale può essere un indice della presenza di acqua dolce e quindi di terre emerse?  Gli zirconi possono dirci qualcosa in proposito. 

il numero di zirconi nel tempo evidenzia che i picchi di formazione degli zirconi
precedono la formazione dei supercontinenti. Da Nance et al (2014)

GLI ZIRCONI: TRACCE AFFIDABILI DI EVENTI LONTANISSIMI. Uno zircone è per sempre: resistenti praticamente a tutto, questi cristalli sopravvivono per miliardi di anni dopo la loro formazione. Nelle aree dove esistono rocce magmatiche di ambiente orogenico o loro derivati sedimentari e metamorfici esistono zirconi di varia età che vengono riciclati nel tempo in rocce magmatiche, metamorfiche o sedimentarie successive, rimanendo inalterati.

Gli zirconi hanno un’altra caratteristica interessante: così “impermeabili” a fattori esterni come sono, contenendo uranio sono una delle fonti principali delle datazioni radiometriche, perché dal punto di vista geochimico il sistema viene "chiuso" all'atto della formazione del cristallo e cioè non subisce modifiche di alcun tipo: refrattario alla fusione in nuovi magmi, non si altera con gli agenti atmosferici o con altri agenti all'interno della crosta. Così, ad esempio, è stato visto che l'abbondanza nel tempo degli zirconi non è costante e da questo è stato facile capire la corrispondenza fra le fasi temporali ristrette in cui se ne formano di più e le fasi più acute di magmatismo orogenico, in genere durante la formazione dei supercontinenti (Nance et al, 2014). 

Inoltre datare gli zirconi ha anche delle ricadute di altro tipo. Ad esempio un recente studio del rapporto isotopico dell’ossigeno in zirconi australiani ha fornito indicazioni interessanti sulla storia del ciclo dell’acqua sulla Terra e quindi sulla presenza di terre emerse, perché il sistema chiuso lascia inalterati dalla formazione dello zircone i rapporti isotopici di altri elementi contenuti nei minerali come l'ossigeno.

QUANDO LE PRIME TERRE EMERSE E L'INIZIO DEL CICLO DELL'ACQUA? GIÀ NELL'ARCHEANO! Una delle caratteristiche principali della superficie terrestre è il ciclo dell’acqua e come viene scambiata tra terra, oceani e atmosfera. Capire quando è iniziato è fondamentale per comprendere nel passato più profondo la natura degli ambienti superficiali della Terra, compresi quelli potenzialmente adatti alla vita. Quindi la domanda è: considerando che a un certo punto la Terra era un pianeta con una crosta oceanica e integralmente coperto dal mare, da quando è iniziata la formazione di crosta continentale e quindi da quando esistono parti emerse, per cui nel ciclo idrologico si è aggiunta l’acqua dolce della superficie terrestre? Una domanda che ha anche conseguenze importanti dal punto di vista biologico, perché l’interazione tra l'acqua dolce e la crosta continentale emersa potrebbe essere stata la chiave per l'emergere della vita,

I dati geochimici su reperti fossili di organismi unicellulari nel Paleoarcheano inferiore mostrano che crosta continentale emersa e - di conseguenza - acqua dolce esistevano già all'inizio del Mesoarcheano, 3,2 miliardi di anni fa e probabilmente anche prima (anche da 3,5 miliardi). 

Wang et al. (2022) documentano in India un magmatismo eccezionalmente impoverito dell'isotopo pesante dell'ossigeno, il 18O, rispetto al "classico" isotopo O16 (δ18O <4,7 ‰) tra il Mesoarcheo e il primo Neoarcheano (quindi tra 3,2 e 2,7 miliardi di anni fa). Questa caratteristica è condivisa con i magmi coevi a basso δ18O in Australia, Sud America e Cina settentrionale. Tale magmatismo a basso δ18O testimonia a scala globale una interazione ad alta temperatura tra magmi e acqua dolce nella crosta più superficiale (l'acqua superficiale contiene meno Ossigeno-18 rispetto al mantello terrestre). Questo ovviamente richiede la presenza di importanti aree emerse a partire da 3,2 miliardi di anni fa, con un picco della loro formazione a 2,8–2,6.

Tuttavia, non è chiaro se un ciclo idrologico fosse operativo anche prima, nell'Eoarcheano o nell'Adeano.

a sinistra la posizione delle Jack Hills nel cratone dell'Australia occidentale
a destra gli zirconi con basso δ18O che evidenziano interazioni fra magmi e acque meteoriche a partire da 4 miliardi di anni fa 

 

LE PRIME TERRE EMERSE GIÀ 4 MILIARDI DI ANNI FA. Qui vengono in soccorso gli zirconi dell’Australia occidentale, dove i cratoni di Ylgarn e Pilbara si sono amalgamati lungo l’orogene del Capricorno circa 2 miliardi di anni fa, formando il cratone dell’Australia occidentale.

Gamaleldien et al (2024) hanno esaminato la composizione isotopica dell'ossigeno di cristalli di zircone precedentemente datati provenienti dalle Jack Hills, nell'Australia occidentale, per determinare quando è iniziato il ciclo idrologico. I grani analizzati rivelano due periodi di magmatismo a 4,0–3,9 e 3,5–3,4 miliardi di anni fa caratterizzati da valori del rapporto isotopico dell’ossigeno (18O/16O) minori di quelli tipici del mantello. Tali valori richiedono l’interazione di sistemi magmatici crostali superficiali con l’acqua meteorica, e siccome questa interazione deve essere iniziata prima dell’inizio del magmatismo che ha originato questi zirconi, dalle età si ricava che già oltre 4 miliardi di anni fa esisteva dell’acqua dolce su superficie terrestre emersa dal mare.

Pertanto è probabile che già meno di mezzo miliardo di anni dopo la formazione della Terra, l’emergere della crosta continentale, la presenza di acqua dolce e l’inizio del ciclo idrologico abbiano facilitato lo sviluppo delle nicchie ambientali necessarie alla vita.

BIBLIOGRAFIA

Gamaleldien et al (2024). Onset of the Earth’s hydrological cycle four billion years ago or earlier.  Nat. Geosci.(2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01450-0

Nance et al (2014). The supercontinent cycle: A retrospective essay. Gondwana Research 25, 4–29

Wang, W. et al.(2022) Global-scale emergence of continental crust during the Mesoarchean–early Neoarchean. Geology 50, 184–188

i terremoti della notte fra il 7 e l'8 giugno ai Campi Flegrei

Quella tra il 7 e l'8 giugno 2024 è stata l’ennesima notte agitata ai Campi Flegrei. Il tutto è iniziato alle 1.52 GMT (le 3,52 italiane) con un evento di M 3 alla Solfatara, preceduto poch iminuti prima da 3 scosse minori. Lo vediamo in questa carta: 

i 3 piccoli eventi che hanno preceduto il primo terremoto di stanotte ai Campi Flegrei

Dopo questo evento abbastanza importante il sistema GOSSIP dell’Osservatorio Vesuviano ha registrato entro le 7.10 italiane ben 107 eventi in 6 ore, di cui 54 con M superiore a 0. Di questi ben 9 con M superiore a 1 tra i quali spiccano ben 3 eventi a M superiore a 3.

Gli eventi di oggi sono tutti nella zona sismica tra la costa e la Solfatara, ma non la occupano tutta, perché si annidano solo tra la Solfatara e la zona immediatamente a E e cioè Pisciarelli, come si vede dalla carta qui sotto. Rispetto alla tomografia appena uscita siamo sopra la anomalia B (ne ho parlato qui).

le scosse di stanotte occupano solo un'area ristretta della caldera, tra la Solfatara e Pisciarelli
in colore sono segnati quelli più forti

Ovviamente data la profondità estremamente bassa si tratta di eventi ampiamente risentiti dalla popolazione (l’ho sperimentato personalmente anche io cosa vuol dire un M 2.9 seguito due minuti dopo da un 3.2 con epicentro a poche centinaia di metri e a 2 km di profondità. Vi assicuro che si sentono molto bene).

Nell'ultima carta si vedono soltanto i 10 eventi a M uguale o superiore a 1, che sono più concentrati sia nel tempo (sono avvenuti tutti in meno di 40 minuti, tra le 1.55 e le 2.33 GMT (le 3.55 e 4.33 ora locale) che nello spazio, dove potrebbero quasi segnalare un allineamento WSW - ENE. 

NB: Questa considerazione vale con le localizzazioni attuali, che sono provvisorie. Con quelle definitive, che immagino saranno pronte lunedì, qualcosa potrebbe variare

Gli epicentri delle scosse principali sembrano essere allineati. Ma sono dati provvisori. 
I definitivi potrebbero dar eun quadro un pò diverso

IL TREND DI SOLLEVAMENTO POTREBBE MOMENTANEAMENTE INTERROMPERSI? Dopo il forte terremoto del 20 maggio alcuni sensori della rete GPS hanno addirittura registrato un leggero abbassamento del terreno. Si sa che i terremoti importanti, come è successo anche alla fine dell'anno scorso, disturbano il trend. Nelle prossime settimane il sollevamento potrebbe rallentare se non interrompersi ma, realisticamente, è difficile che poi non riprenda, anche perché i dati del bollettino mensile dimostrano che la pressione nel sistema idrotermale sta continuando ad aumentare, segno che ancora l'afflusso di fluidi non si è fermato.

la nuova tomografia sismica dei Campi Flegrei

Finalmente è uscita la tanto attesa nuova tomografia sismica dei Campi Flegrei. Questo ottimo lavoro, grazie alla enorme messe di dati disponibili, riesce a vedere anche nel tempo, dal 1985 al 2022 e oltre alle anomalie già note ne introduce una terza presente solo in determinati periodi, le cui caratteristiche fanno pensare alla messa in posto nel 1984 e nel 2017 di piccole masse magmatiche a 5 km di profondità.

La zona a massimo sollevamento e le due zone sismiche principali

I MOVIMENTI DEL SUOLO AI CAMPI FLEGREI NEGLI ULTIMI SECOLI. Le due gigantesche eruzioni avvenute 39.000 (Ignimbrite Campana) e 15.000 anni fa (Tufo Giallo Napoletano), provocarono il collasso e la formazione della caldera flegrea; in tempi più recenti sono documentate almeno 70 eruzioni minori, l’ultima delle quali nel 1536 ha creato Monte Nuovo. Il termine bradisismo è nato proprio per descrivere i cicli di sollevamento e subsidenza del terreno osservati ai Campi Flegrei, ma in genere tutti i vulcani tendono a sollevarsi quando sono in fase di unrest (termine che indica la presenza di segnali più o meno visibili di attività in corso superiori ai valori di fondo) e a riabbassarsi in fase di quiete (ad esempio il Vesuvio ora si sta leggermente abbassando). La caldera flegrea è in genere sottoposta a una subsidenza di circa 1–2 cm/anno come testimoniano le rovine sommerse di Baia. Il moto del suolo si inverte nelle fasi di unrest, in genere accompagnate da diffusi fenomeni sismici di origine vulcano-tettonica, come è successo tra XV e XVI secolo, la fase a cui appartiene l’eruzione del Monte Nuovo e come succede adesso.

Venendo a tempi più recenti, dopo quella fase di unrest e sollevamento la subsidenza è ricominciata e così all’inizio del ‘900 la zona del porto di Pozzuoli si trovava praticamente a livello del mare e probabilmente ora sarebbe almeno parzialmente sommersa senza i tre episodi di sollevamento della seconda metà del XX secolo (74 cm nel 1950–52, 159 cm nel 1970–72 e 178 cm nel 1982–84, quest’ultimo accompagnato da una importante attività sismica). Dopo il 1984, cessato l'unrest, il suolo ha ricominciato ad abbassarsi fino al 2005, quando è iniziata la fase di sollevamento attuale.

I tre episodi del XX secolo sono stati caratterizzati da una velocità di sollevamento molto maggiore di quella odierna, ma la lunghezza decisamente maggiore della fase di sollevamento che stiamo vivendo da quasi 20 anni (contro i circa 3 delle precedenti) ha consentito nell'aprile 2022 l’annullamento totale della subsidenza post-1985. La sismicità, all’inizio debole, è aumentata nel 2012-2014, in corrispondenza di un deciso aumento del tasso medio di sollevamento e oggi ha raggiunto livelli molto significativi per frequenza e Magnitudo.

È sicuro che il sollevamento tra 1982 e 1984 sia stato provocato dalla risalita fino a un paio di km dalla superficie di un corpo magmatico, ed è probabile che la stessa cosa sia successa negli anni ‘50 e ‘70. Insomma, tecnicamente non si può parlare di eruzione perché con questo termine si intende magma che arriva in superficie, ma ci siamo andati molto vicino. La fase che stiamo vivendo assomiglia molto al sollevamento precedentemente sconosciuto documentato da Trasatti et al (2023) nel periodo 1540-1582, successivo quindi alla formazione del Monte Nuovo e probabilmente legato ad una eruzione abortita.

il rapporto fra terremoti, (ri)apertura e (ri)chiusura di fratture e movimento del terreno
da Danesi et al (2024)

L’aspetto preponderante degli ultimi 20 anni è una risalita di fluidi vulcanici in un sistema idrotermale. Il problema è che a una profondità di 3-4 km la risalita è bloccata da un orizzonte a bassa permeabilità, al di sopra del quale i fluidi possono cercare di dirigersi verso la superficie solo lungo delle fratture. E così, quando la quantità di fluidi che provengono dal basso è maggiore di quella che riesce a risalire lungo le fratture del blocco impermeabile la pressione nel sistema idrotermale aumenta, provocando un inarcamento delle rocce soprastanti (il bradisismo, appunto), che sua volta innesca i terremoti. In genere dopo eventi sismici più forti il sollevamento diminuisce o si interrompe perché i terremoti (ri)aprono delle fratture e quindi aumenta la quantità di fluidi che riesce a risalire verso la superficie e la pressione nel sistema diminuisce.

Purtroppo però questi fluidi sono molto mineralizzati, quindi tendono a depositare concrezioni nelle fratture, che quindi si richiudono molto facilmente, precludendo ulteriori uscite dal sistema, e così il sollevamento riprende. Quindi aperture e chiusure delle fratture nell’orizzonte al di sopra del sistema idrotermale ne controllano la pressione e determinano i movimenti verticali e la sismicità (Danesi et al, 2024).

Mentre il centro del sollevamento è posto poco a largo di Pozzuoli, la sismicità si annida lungo una faglia nel golfo e in terraferma nel settore di Pozzuoli. La sua distribuzione evidenzia la presenza di due zone di debolezza crustale.

LA TOMOGRAFIA SISMICA è una specie di TAC della Terra, che può essere fatta a varie scale, dal singolo affioramento a grandi porzioni del mantello e anche più sotto.

Si utilizzano i tempi di arrivo delle onde sismiche provocate da terremoti di cui si conoscono con precisione l’ipocentro e l’orario d’arrivo nelle varie stazioni. In genere si considerano due valori, la velocità delle onde Prime (Vp) e il rapporto fra la velocità delle onde Prime e delle onde Seconde (Vp/Vs). Le velocità dipendono dalla temperatura e dalle condizioni meccaniche del mezzo attraversato: ad esempio in una roccia solida la velocità sarà maggiore che in una fratturata e le zone con fluidi o con magmi possono essere agilmente distinte proprio incrociando i valori di VP con quelli del rapporto Vp/Vs, che è è particolarmente sensibile alla porosità del mezzo attraversato e alla presenza di fluidi e magmi fusi.

Il set di dati sismici considerato è costituito da 16.669 misurazioni del tempo di arrivo delle onde P e 8.292 S di 1894 terremoti locali, registrati tra gennaio 1984 e dicembre 2022. Grazie all’enorme quantità di dati a disposizione oltre alle 3 dimensioni spaziali è stato possibile seguire l’evoluzione nel tempo della situazione. 

Il volume crostale indagato (circa 20 km x 20 km x 8 km) copre l’intera caldera; sono inoltre stati elaborati 3 profili verticali (N-S, E-W e SW-NE). Due profili si incrociano in mare (N-S vs E-O nei pressi del porto di Pozzuoli, N-S vs SW-NE 1,5 km al largo del Rione Terra), mentre i profili E-W e SW-NE si incrociano a sud dell'Accademia Areonautica. La profondità massima raggiungibile dall’indagine è 6 km, poi la risoluzione delle indagini diventa troppo bassa. 

I risultati della tomografia nelle 3 sezioni individuate consentono di vedere la posizione delle anomalie

LE ANOMALIE EVIDENZIATE DALLA TOMOGRAFIA. La modellazione evidenzia 3 principali anomalie, di cui le prime due presentano una bassa Vp e un rapporto Vp/Vs variabile:

• la ANOMALIA A corrisponde all’incirca al centro del sollevamento e si trova in mare a largo del porto di Pozzuoli, centrata a 2,5 km di profondità. Data la sua posizione è facilmente visibile nelle sezioni N/S e SW/NE, ma non appare nella sezione E/W ed è quindi limitata verso nord all’area a sud di questa sezione
• la ANOMALIA B è più profonda (3,5–4 km) e si estende da sotto alla parte N dell'anomalia A fino alla Solfatara e si trova sotto la zona sismica principale.
• C’è poi la ANOMALIA C: si distingue per la bassa Vp e un alto rapporto Vp/Vs. Si trova a 5 km di profondità separata dalla sovrastante anomalia B da un livello ad alta Vp. Questa anomalia è “nuova” ed è estremamente interessante, perché è ben visibile nel 1984, con valori Vp e Vp/Vs coerenti con la presenza di magma. Poi scompare e solo dopo l’aprile del 2019 ne viene fuori una nuova, dalle caratteristiche molto simili, di estensione e profondità minori e posizione leggermente diversa. L’interpretazione più facile è l’accumulo di una piccola quantità di magma.

Le anomalie A e B invece sono compatibili con la presenza di fluidi appartenenti a sistemi idrotermali che impregnano la crosta: il rapporto Vp/Vs generalmente basso smentisce la presenza di quantità rilevanti di materiale fuso ed è correlato all'accumulo di fluidi magmatici in zone molto fratturate con importante sovrapressione di gas.

 

LA ZONA DELLA SOLFATARA. A profondità basse, il modello 4D dipendente dal tempo rivela dal 1984 al 2020 una notevole diminuzione del rapporto Vp/Vs tra 1 e 2 km di profondità al di sotto della Solfatara. Questa circostanza viene interpretata come una diminuzione della profondità della transizione liquido-gas, a causa dell’aumento delle temperature e sarebbe coerente con il contemporaneo aumento di temperatura e pressione dedotto dalla concentrazione di CO misurata alle fumarole della Solfatara (Caliro et al., 2007). Questa evidenza conferma quest'area come percorso preferenziale per la risalita dei fluidi caldi che innescano la sismicità, a causa del trasferimento di energia dai fluidi caldi alle rocce ospitanti (Chiodini et al., 2021).

CONCLUSIONI: i cambiamenti nel tempo nei parametri elastici rivelano che:

1. la caldera dei Campi Flegrei sta vivendo una fase di unrest, in cui sia il principale serbatoio di magma profondo che il sistema idraulico sovrastante vengono ricaricati. Il serbatoio centrale sembra essere stato ricaricato da fluidi magmatici durante i disordini del 1982-1984 e, dopo un periodo di possibile degasaggio, anche di recente, perché i risultati rivelano una nuova iniezione di magma nel serbatoio profondo, a partire dal 2019, che potrebbe testimoniare una nuova fase di accumulo e riorganizzazione del magma. 

risultato grafico: in giallo il sistema idrotermale 

I punti rappresentano i terremoti

In rosso le iniezioni magmatiche (2019 e 1984) 

2. La concentrazione della sismicità in una colonna allungata verticalmente direttamente sotto la Solfatara, insieme ai cambiamenti transitori di velocità osservati, suggerisce coerentemente con il quadro già delineato una sovrapproduzione di fluidi caldi che ascendono dal serbatoio profondo. La ripetizione di tali processi si traduce nella crescita a lungo termine del sistema idraulico e favorisce fratture più estese. 

Il trasferimento episodico di magmi durante fasi di unrest può essere un processo comune nelle caldere; se ci sarà o no una eruzione, questo dipenderà da quanto sono effimere tali iniezioni e dalla depressurizzazione locale della copertura.

DA ULTIMO, PERMETTETEMI DI TOGLIERMI DEI SASSOLINI DALLE SCARPE. Qualcuno ha asserito che: eh ma gli studi sono di 2 anni fa, quindi sono vecchi. È ovviamente una conclusione fatta da chi non ha la minima idea di come stanno le cose.

1. Gli studi scientifici per essere pubblicati in articoli su riviste scientifiche, devono essere sottoposti alla referazione, la cosiddetta peer-review revisione fra pari): una analisi rigorosa e scrupolosa da parte di revisori ugualmente autorevoli (e anonimi, per non essere condizionati). In genere questo processo porta ad un arricchimento e a un miglioramento del lavoro, ma in alcuni casi anche al suo rifiuto (anche io ho referato articoli e per quelli che ho scritto io sono stato referato). Un articolo così quindi necessita di un certo tempo per la pubblicazione da quando viene proposto ad una rivista. In più in questo caso la quantità di dati disponibili, incredibilmente maggiore rispetto alle tomografie a cui siamo abituati, ha costretto gli Autori a esplorare nuove metodologie e quindi la referazione è stata forse anche più lunga del normale.
2. Uno studio preliminare (ad esempio, con i dati fino a 3 mesi fa) avrebbe meno attendibilità.
3. I dati arrivano a dicembre 2022 e quindi alla data di pubblicazione gli ultimi sono di meno di un anno e mezzo fa

Insomma, più veloce di così non si poteva fare, a dispetto dei soliti contestatori che pigiano tasti senza sapere come stanno le cose. 

BIBLIOGRAFIA CITATA

Caliro et al (2007). The origin of the fumaroles of La Solfatara (Campi Flegrei, south Italy). Geochim. Cosmochim. Acta 71, 3040–3055. 

Chiodini et al (2021). Hydrothermal pressure-temperature control on CO2 emissions and seismicity at Campi Flegrei (Italy). J. Volcanol. Geotherm. Res. 414, 107245 

Giacomuzzi et al (2024). Tracking transient changes in the plumbing system at Campi Flegrei Caldera Earth Planet. Sci. Lett. 637 (2024) 118744 

Trasatti et al (2023). Magma transfer at Campi Flegrei caldera (Italy) after the 1538 AD eruption. Geophysical Research Letters, 50, e2022GL102437