Dal “single lid” alla tettonica a placche: l'evoluzione del regime tettonico globale negli ultimi 3 miliardi di anni

I corpi celesti di tipo terreste, quindi quelli che presentano una composizione silicatica, sono dotati o sono stati dotati in un passato recente di una tettonica globale, rappresentato sulla Terra odierna dalla tettonica a placche. Le domande di base per geologi e geofisici sono (1) se sono possibili altri tipi di tettonica globale e (2) quando è comparsa sulla Terra la tettonica a placche. Oggettivamente, non c’è accordo unanime sul secondo punto, ma soprattutto meritano una particolare attenzione le idee di Robert J. Stern, per il quale ci sarebbero stati diversi episodi di tettonica a placche, l’ultimo di quali è iniziato circa un miliardo di anni fa, che si sono alternati a periodi in cui anche sulla Terra c’era un regime tettonico di single lid (coperchio singolo). In realtà, se in quasi tutto il Mesoproterozoico mancano gli indicatori di Tettonica a Placche ma ci sono quelli di un Single Lid, è probabile che l'inizio dell'episodio di Tettonica a Placche che stiamo vivendo sia iniziiato un pò prima della fine del Mesoproterozoico, in coincidenza con i primi segnali della formazione del supercontinente di Rodinia.

I vari regimi tettonici da Stern (2018)

Sulla Terra la tettonica a placche fornisce un quadro coerente in cui inserire la formazione delle catene montuose, i movimenti dei continenti, la presenza di vulcanismo e metamorfismo, il quadro paleobiogeografico dell’evoluzione della vita e quant’altro. Stern e Gerya (2018) la definiscono come un sistema tettonico globale in cui la litosfera è divisa in un mosaico di placche rigide che si muovono orizzontalmente e talvolta con la subduzione sprofondano nell'astenosfera più debole e duttile sottostante.

La Terra è unica rispetto agli altri 3 grandi corpi silicatici attivi del Sistema Solare con tettonica attiva (o, almeno, conclusasi in tempi geologicamente recenti), nei quali prevalgono movimenti verticali, con un regime tettonico che viene definito a single (o stagnant) lid (coperchio singolo o coperchio stagnante), con la più rigida litosfera nel ruolo del coperchio. In un pianeta con una tettonica a single lid non esiste un mosaico globale di placche tettoniche rigide in movimento, tantomeno una subduzione di lunga durata che guidi i movimenti orizzontali delle placche.

Questi single lid sono comunque diversi fra loro:

• Io, il satellite di Giove punteggiato da enormi vulcani, ha una tettonica a Heat pipe (Tubo di calore)
• Venere presenta numerosi plumes (pennacchi) di materiale più caldo (come li ha anche la Terra): provocano alcuni movimenti all’interno della litosfera con riflessi anche sulla superficie, ad esempio le Coronae e le fratture a loro assocate
• Marte ha sia alcuni plumes che una serie di fratture

le varie scuole sulla data di inizio della tettonica a placche
Si nota come Stern diverga dai suori colleghi

LA TERRA: DA QUANDO LA TETTONICA A PLACCHE? Sulla Terra primordiale non c’era la tettonica a placche e quindi si pone il problema del suo inizio. Nella letteratura scientifica c’è un certo accordo sul fatto che fosse già presente più di 2,5 miliardi di anni fa nell'Archeano, sostituendo un precedente regime a single lid che ha caratterizzato l’inizio della storia del nostro pianeta. Le varie scuole di pensiero sono descritte in questa figura di Palin et al (2019): pongono questa transizione importante tra i 4 e i 2.9 miliardi di anni fa.

Queste date sono state ricavate essenzialmente dalla presenza di indicatori di movimenti orizzontali delle placche come associazioni di cinture orogeniche (dimostrano l’avvenuta collisione fra blocchi diversi) e/o dati paleomagnetici (quando evidenziano spostamenti della latitudine dei vari blocchi).

Sarebbero appunto evidenze indiscutibili di tettonica a placche, ma Robert J. Stern fornisce un’età estremamente più giovane e cioè circa un miliardo di anni fa. Come mai arriva a una conclusione così differente? Secondo lui la domanda gusta non sarebbe “da quando la tettonica a placche ha sostituito la tettonica a lid” ma "quanti episodi di tettonica a placche ha sperimentato la Terra?". La sua idea quindi è che ci sarebbe stata una alternanza fra episodi di tettonica a placche e di tettonica a single lid (singolo è preferito a stagnante). 

Insomma, per lui lo stile tettonico della Terra si sarebbe evoluto nel tempo e comprenderebbe negli ultimi 3 miliardi di anni tre episodi di tettonica a placche, di cui l’ultimo, quello attuale sarebbe iniziato nel Neoproterozoico, circa 1,0 miliardi di anni fa e altri due precedenti: il più antico tra 3 e 2,5 miliardi di anni fa nel Neoarcheano, quando il record geologico evidenzia diverse collisioni fra blocchi continentali e un secondo fra 2,0 e 1,8 miliardi di anni nel Paleoproterozoico, corrispondente alla formazione del supercontinente di Nuna/Columbia. In questo quadro la tettonica instabile a single lid avrebbe dominato il resto del Proterozoico e una parte sconosciuta dell'Archeano (Stern, 2013). 

(Francamente, come spiego più sotto, io anticiperei un pò la data di Stern di un paio di centinaia di milioni di anni perchè la tettonica a placche è sicuramente alla base della formazione del supercontinente di Rodinia, a partire da circa 1,2 miliardi di anni fa). 

distribuzione degli indicatori di tettonica a placche
 secondo Stern et al (2026)

INDICATORI DI TETTONICA A PLACCHE E INDICATORI DI SINGLE LID. Stern ha da tempo definito degli indicatori di tettonica a placche e degli indicatori di tettonica a single lid e li colloca nel tempo.

Gli indicatori di tettonica a placche sono i seguenti:

1. le Kimberliti: la tettonica a placche provoca lungo le zone di subduzione l'iniezione di grandi volumi d'acqua nel mantello negli slab, dai quali l’acqua si infiltra nel mantello sovrastante ricco di carbonati, disgregandolo al punto tale da generare quella fase volatile mista tipica che le produce.
2. la presenza di indicatori di collisione fra placche: cinture ofiolitiche, rocce metamorfiche di alta o altissima pressione come eclogiti e scisti blu 
3. giacimenti orogenici di oro e rame ricchi di fluidi, comuni nel Noproterozoico più recente, ma assenti nel Mesoproterozoico (Goldfarb e Groves, 2015)
4. formazione di margini passivi

Gli indicatori di tettonica a single lid sono i seguenti:

1. magmi più anidri come Anortositi e Graniti di tipo A, quelli provenienti esclusivamente da magmi profondi che si sono differenzati nella risalita, con la parte più pesante che è rimasta più in basso.  Inoltre, in caso di single lid il mantello, sia pure pervaso di carbonati, è anidro perché non rifornito di acqua dagli slab in subduzione e quindi non riesce a produrre kimberliti. Di fatto le Kimberliti, prima rarissime, diventano comuni dal Neoproterozoico in poi.
2. assenza di rocce metamorfiche di alta pressione
3. giacimenti di minerali poveri di fluidi (secchi), come i giacimenti di ossido di ferro, rame e oro (IOCG) e i giacimenti di Fe-Ti-V-P associati ad anortositi,
4. assenza di formazione di margini continentali passivi

presenza nel tempo di rocce metamorfiche di alta pressione

GLI INDICATORI TETTONICI NEL MESOPROTEROZOICO. È da tempo riconosciuto come il Mesoproterozoico abbia rappresentato una fase particolare nella storia della Terra per la quasi totale assenza, per circa un miliardo di anni, di prove di glaciazione continentale, di variazioni significative nella composizione isotopica del carbonio nei carbonati marini (∂13C) e di mancata formazione di margini continentali passivi. Per cui è considerato il periodo più monotono della storia terrestre, tanto da essere soprannominato "boring billion” (miliardo noioso).

Nel Mesoproterozoico si nota una assenza di indicatori di tettonica a placche. Ora, l'assenza di prove dell’esistenza di qualcosa non è prova della sua assenza, tantopiù quando si parla di storia della Terra dove la documentazione della storia della Terra viene progressivamente distrutta con il tempo da vari processi. Pertanto la domanda è se possa trattarsi semplicemente di un problema di conservazione. 

Addirittura c’è la possibilità che tutto sia dovuto ad un importante episodio di erosione avvenuto nel Neoproterozoico, quello che ha provocato la Grande Discordanza (ne ho parlato qui): gli oltre 60 milioni di anni di Snowball Earth (Terra palla di neve) del Criogeniano, durante il quale la glaciazione ha promosso la denudazione dei continenti ancora privi di copertura vegetale, esponendoli a una maggiore erosione subaerea a causa dell’abbassamento a scala globale il livello del mare, e anche direttamente attraverso l'erosione operata dai ghiacciai stessi (Brenhin Keller et al (2019). Quindi potrebbe anche essere che tutti gli indicatori di tettonica a placche del Mesoproterozoico siano stati rimossi dall'erosione e dalla tettonica.

Per risolvere questo enigma dobbiamo notare come nel Mesoproterozoico siano invece evidenti gli indicatori di una tettonica a Single Lid, mentre dal Neoproterozoico in poi prevalgono quelli di una tettonica a placche. Queste circostanze dimostrerebbero che la mancanza di indicatori di tettonica a placche nel Mesoproterozoico sia dovuta proprio alla sua mancanza, non a “fattori altri” e che quindi all’epoca il regime tettonico fosse proprio quello del Single Lid. 

UNA POSSIBILE CONTESTAZIONE ALLE IDEE DI STERN: INDICATORI DI TETTONICA A PLACCHE NELLA PARTE FINALE DEL MESOPROTEROZOICO. Secondo Stern non ci sono indicatori di tettonica a placche nel Mesoproterozoico. Nella figura qui accanto, tratta da Brown e Johnson (2018) in effetti e ne vedono - segnatamente rocce metamorfiche - anche nel Mesoproterozoico terminale (STE - Steniano) oltre che nel Toniano (TON), l'inizio del Neoproterozoico. Vero, sono meno che negli episodi precedenti ma penso che questo possa essere addebitato proprio all'erosione durante la Snowball Earth del Criogeniano. Insomma, se è davvero difficile pensare ad una tettonica a placche per la maggior parte del Mesoproterozoico, l'attuale fase a tettonica a placche potrebbe essere partita un pò prima di quanto afferma Stern, diciamo 1,3 miliardi di anni fa, nella parte conclusiva di questa era, in corrispondenza dei primi episodi di metamorfismo di alcuni terranes coinvolti nella formazione del supercontinente di Rodinia.

distribuzione degli zirconi secondo Hawkesworth et al (2020)
Si nota una coincidenza con le fasi in cui
 si registrano rocce metamorfichedi alta pressione

FASI PRECEDENTI DI TETTONICA A PLACCHE. Gli zirconi hanno due caratteristiche importanti: 

1. si formano soprattutto durante fasi orogeniche 
2. si conservano molto bene anche nei processi successivi quando la loro roccia madre subisce fenomeni di metamorfismo o addirittura rifusione. 

Per cui lo studio delle loro età registra le maggiori fasi di attività tettonica. Di fatto nel lontano passato due picchi di età U-Pb degli zirconi attestano importanti episodi di formazione della crosta continentale, come si vede da questo grafico di Hawkesworth et al (2020). Negli intervalli fra i picchi la produzione di zirconi è assente o molto ridotta.

Innanzitutto un periodo compreso fra 2.2 a 1.8 miliardi di anni fa, peraltro corrispondente all’episodio globale di amalgamazione di archi magmatici che ha costruito il supercontinente Nuna/Columba. Questa fase viene chiamata Orogene Orosiniano, da Stern (2023), il quale descrive sette esempi di ofioliti e sei siti di eclogiti legati alla subduzione in tutto il mondo. Non si può certo dire che questo non sia un quadro che suggerisce la presenza a larga scala di un mosaico globale di placche in movimento fra loro. Di fatto 

1. tra 2,2 e 2,0 Ga si trova un magmatismo diffuso legato fenomeni legati a subduzione e accrezione di archi su più cratoni (ad esempio Laurentia, Baltica, Amazzonia).
2. tra 2,0 e 1.9 Ga si colloca un episodio principale di collisione e crescita di terranes, ad esempio lungo l’orogene Trans-Hudsoniano in America settentrionale, nella fascia di Nagssustoqidian in Groenlandia e nell’orogene di Kola-Karelia in Europa settentrionale ed altri
3. tra 1.9 e 1.8 Ga c’è il culmine dell'assemblaggio del supercontinente

Questi dati sono sostanzialmente in accordo con quelli di Brown e Johnson (2018) per le rocce metamorfiche di alta pressione e coincidono anche con la formazione di margini passivi.

Si po' poi andare oltre. Prima dell’episodio di formazione di zirconi corrispondente all’orogenesi orosiniana abbiamo un altro massimo della distribuzione delle età degli zirconi tra 3.2 e 2,5 miliardi di anni fa nel Neoarcheano, una fase contraddistinta da diverse collisioni fra blocchi. 

alternanza fra Single Lid e Plate Tectonics in Stern (2023)

L’ALTERNANZA FRA SINGLE LID E TETTONICA A PLACCHE. Quindi la morale della favola secondo Stern (2023) è che chi ha posto l’inizio della tettonica a placche nell’Archeano o nel Paleoproterozoico ha commesso l’errore fondamentale di non riconoscere il carattere transitorio di quei chiarissimi episodi di tettonica a placche e che per la maggior parte dell'Archeano e praticamente per tutto il boring billion del Mesoproterozoico si è ristabilito il regime a single lid; soltanto all’inizio del Neoproterozoico (o, meglio, verso la fine del Mesoproterozoico, è avvenuta la nuova trasformazione nel regime di Tettonica a placche che perdurta da allora fino ai nostri giorni. 

ATTENZIONE: Il diagramma di Stern che vediamo qui sopra inizia dalla fase di transizione verso il single lid che segue il primo episodio di tettonica a placche, quello tra 3.2 3 2.5 miliardi di anni fa, che quindi non vi compare.

C’è poi una coincidenza importante: l’inizio del Neoproterozoico è un momento fondamentale della storia degli Eucarioti, per cui è addirittura possibile che proprio l’avvento della nuova fase di tettonica globale abbia in qualche modo agito come forzante anche sull’evoluzione della vita sulla Terra.

BIBLIOGRAFIA

Brenhin Keller et al (2019). Neoproterozoic glacial origin of the Great Unconformity. PNAS 116(4) 1136-1145

Brown & Johnson (2018). Secular change in metamorphism and the onset of global plate tectonics. American Mineralogist 103, 181–196

Goldfarb e Groves (2015). Orogenic gold: common vs evolving fluid and metal sources through time. Lithos 223, 2–26.

Hawkesworth et al (2020). The Evolution of the Continental Crust and the Onset of Plate Tectonics. Front. Earth Sci. 8:326. 

Palin et al (2020). Secular change and the onset of plate tectonics on Earth. Earth-Science Reviews 207 (2020) 103172

Stern et al (2016). Kimberlites and the start of plate tectonics. Geology 44/10, 799–802.

Stern (2013). Modern-style plate tectonics began in Neoproterozoic time: An alternative interpretation of Earth’s tectonic history. In:  Condie e Pease (eds) When Did Plate Tectonics Begin on Planet Earth? GSA Books,

Stern (2020). The Mesoproterozoic Single-Lid Tectonic Episode: Prelude to Modern Plate Tectonics. GSA Today 30 (12), 4–10.

Stern et al (2023). A tectonic manifesto. Perspectives of Earth and Space Scientists, 4, e2023CN000214.

Stern e Geyra (2018). Subduction initiation in nature and models: A review. Tectonophysics 746 (2018) 173–198

Stern e Gerya 2023 Co-Evolution of Life and Plate Tectonics: The Biogeodynamic Perspective on the Mesoproterozoic-Neoproterozoic Transitions. In Dynamics of Plate Tectonics and Mantle Convection - Elsevier