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