tomografia sismica, una tecnica che usa le onde sismiche per fare – diciamo così – una TAC della Terra: con questa tecnica è stato rivelato un mondo interno molto più complesso e affascinante: oltre a diverse variazioni in tutto il suo spessore, la parte più profonda del mantello terrestre ospita due vaste province caratterizzate da aree con velocità estremamente ridotte delle onde sismiche e che sembrano presentare delle firme geochimiche distinte rispetto al mantello circostante, note con l’acronimo di LLSVP (Large Low Shear Velocity Provinces). Centrate una sotto l’Africa e l’altra sotto il Pacifico, potrebbero aver svolto un ruolo molto importante nella storia tettonica del nostro pianeta, in quanto i loro limiti appaiono correlati con le Large Igneous Provinces e con gli eventi che hanno portato alla rottura e separazione di masse continentali. Tuttavia, la loro origine rimane un enigma. Al momento ci sono alcune soluzioni possibili delle quali due puramente terrestri; di recente ne è stata avanzata una terza molto affascinante, secondo la quale le LLSVP sarebbero correlate con l’impatto che avrebbe provocato la formazione della Luna.
LE LLSVP, DUE ZONE PARTICOLARI ALLA BASE DEL MANTELLO. Le immagini sismiche dell'interno della Terra hanno rivelato due anomalie di dimensioni colossali alla base del mantello terrestre, caratterizzate da basse velocità sismiche, note per questo come Large Low-Velocity Provinces (LLVP) o – meglio - LLSVP (Large Low Shear Velocity Provinces – province a bassa velocità delle onde di taglio).
Si trovano la prima sotto l'Africa e la seconda sotto l’Oceano Pacifico e sono state battezzate con degli acronimi (per questo sono indicati in maiuscolo) che ricordano due illustri scienziati, fra i teorizzatori della tettonica a placche: quella sotto l’Africa è soprannominata TUZO, in onore di John Tuzo Wilson (1908 – 1993) e la seconda JASON, in onore di Jason Morgan (1995-2023). Le vediamo nell'immagine tratta da Niu (2018).
La sigla LLSVP denota la loro caratteristica tomografica principale e cioè la bassa velocità delle onde S, le onde di taglio (Garnero et al., 2016).
Queste due masse, grandi quanto continenti, si trovano appena sopra il nucleo terrestre e sulla base di dati sismici, geochimici e di fisica dei minerali, sta emergendo l'idea che si tratti di due “oggetti” ben distinti rispetto al mantello circostante, in particolare più densi. Inoltre ci sono importanti indicazioni sul fatto che siano rimasti stabili nel tempo e nello spazio.
Per Garnero et al. (2016), nonostante la stabilità spaziale e temporale, la composizione delle LLSVP viene modificata nel tempo da processi di rimescolamento e reazioni chimiche con il materiale del mantello circostante, del nucleo sottostante e, potenzialmente, con elementi volatili trasportati nelle profondità terrestri dalle placche in subduzione.
LLSVP, GEODINAMICA E GEOCHIMICA. La geodinamica suggerisce che le LLSVP non siano masse passive, ma elementi chiave che influenzano le dinamiche del pianeta perché esistono due coincidenze spaziali:
- le principali zone di subduzione, come la Cintura di fuoco del Pacifico, sembrano essere delimitate dai flussi discendenti ai margini esterni di queste strutture (come se fossero il "cimitero" delle placche tettoniche)
- c’è un collegamento spazio-temporale fra i margini delle LLSVP, i punti caldo (Hotspot), le Large Igneous Provinces e i processi che hanno portato alla fratturazione dei continenti e alla successiva apertura di un oceano
- molte lave di hotspot, quelle appartenenti alle serie dei basalti delle isole oceaniche (OIB) che incorporano materiali provenienti dalle LLSVP contengono componenti dal chimismo tipico dei materiali di origine nebulare e mostrano rapporti isotopici simili a quelli dei basalti dei mari lunari.
LARGE IGNEOUS PROVINCES E LLSVP. Merita un approfondimento la coincidenza significativa sul rapporto fra queste masse profonde, i pennacchi del mantello (mantle plumes) che risalgono dai loro margini e le Large Igneous Provinces (LIP). Un esempio classico è l'hotspot delle Hawaii, che coincide in modo spettacolare con il margine settentrionale della LLSVP del Pacifico.
Ho parlato spesso delle Large Igneous Provinces: si tratta di quantità enormi di magmi basaltici e materiali associati (centinaia di migliaia se non milioni di km cubi di magma) che si mettono in posto in poche decine di migliaia di anni e che hanno svolto un ruolo mica da ridere anche sull’evoluzione della vita, essendoci una chiara correlazione con le estinzioni di massa.
Le due LLSVP sono anche note come African Swell e Pacific Swell: il termine swell (letteralmente: rigonfiamento) focalizza in modo particolare questa coincidenza (ma sarà davvero una coincidenza o è una conseguenza della loro presenza?): è evidente il fatto che quando si sono messe in posto la maggior parte delle Large Igneous Provinces e delle kimberliti, i mantle plume da cui si sono originate si trovavano ai margini delle LLSVP (Thorsvik et al, 2007).
Plumes, Kimberliti e LIP possono essere considerate le prime fasi di un processo che – se non si interrompe – porta alla rottura di una massa continentale e alla formazione di un nuovo oceano fra i due blocchi:
- nel primo stadio da un plumes risalgono le Kimberliti
- aumentando il quantitativo di magmi disponibili si mette in posto una LIP
- poi si separano i due blocchi
- alla fine si apre l’oceano.
Questo è particolarmente evidente se consideriamo la storia del supercontinente esistente a cavallo la fine del Neoproterozoico e l’inizio del Paleozoico tra 600 e 500 milioni di anni fa, normalmente indicato come Gondwana.
Annoto di nuovo come questa denominazione non mi piaccia perché, come ho già scritto svariate volte (per esempio qui) possa trarre in inganno in quanto è molto comune (e logico) pensare al Gondwana come il continente Permo – Triassico formato da Sud America, Afro-Arabia, Madagascar, India, Australia e Antartide. Invece il Gondwana di 500 milioni di anni fa comprendeva quasi tutte le terre emerse (a parte Siberia e Baltica). Per questo concorderei con Powell e Dalziel che lo hanno indicato come “Pannotia”, evitando così una certa confusione fra la sua configurazione cambriana e quella permiana. Come succede sempre un supercontinente tende ad iniziare al sua frammentazione ancora prima di quando finisca la sua agglomerazione (Santosh et al, 2009) e in pratica la tettonica degli ultimi 500 milioni di anni si potrebbe riassumere così: una perdita di pezzi da parte del supercontinente meridionale (Gondwana o Pannotia, come volete...) che a poco a poco si stanno riagglomerando in un continente settentrionale (a parte l’Antartide).
Insomma, da quando si è aggregata, Pannotia ha cominciato a perdere pezzi, in genere subito dopo la messa in posto di Large Igneous Provinces (ad esempio la separazione con i terreni cimmerici, quelli che tra Turchia, Iran e Himalaya formavano prima dell’arrivo dell’India tutto il margine SW dell’Asia). Ma la cosa più evidente del rapporto fra LLSVP, LIP e frattura dei continenti è il Gondwana del Mesozoico: dopo centinaia di milioni di anni in cui era tutto tranquillo, appena i movimenti delle pacche portano il Gondwana dalle alte latitudini meridionali sopra TUZO la LLSVP oggi sotto l’Africa. Il continente si disintegra praticamente all’improvviso in un tripudio di Large Igneous Provinces e, direi non casualmente, la prima parte a rompersi è stata quella settentrionale dove si erano appena scontrate Euroamerica e Gondwana settentrionale… (ne ho parlato qui).
LE POSSIBILI SPIEGAZIONI SU ORIGINE E COMPOSIZIONE DELLE LLSVP. Per decenni le LLSVP hanno sfidato le spiegazioni più semplici sulla formazione del pianeta e fino ad oggi le ipotesi sulla loro origine si sono mosse su due filoni distinti, come si vede dalla figura qui sopra:
a. residui della differenziazione primordiale della Terra (Labrisse et al., 2007)
b. accumuli di crosta oceanica in subduzione (Christensen et al., 1994)
a. segregazione di crosta oceanica durante la convezione del mantello. È una idea che è stata sviluppata da Christensen e Hofmann (1994), ma che è stata ripresa successivamente, per esempio anche dal già citato ha recentemente adottato anche Niu (2018). Quando la crosta oceanica subduce in profondità, subisce delle trasformazioni in associazioni minerali dense che per gravità possono arrivare fino alla base del mantello, dove, rimanendo riescono a sviluppare una particolare firma isotopica prima di essere coinvolti nella risalita di plumes del mantello. Secondo gli Autori è questo che consente quella firma geochimica particolare di molti basalti delle isole oceaniche.
Dal mio punto di vista questa soluzione da un lato può spiegare bene la maggiore densità delle LLSVP, ma la trovo debole da altri due punti di vista:
- la strana composizione isotopica dei basalti delle isole oceaniche ad esse associati
- questa ipotesi necessita di una tettonica a placche continua da oltre 3,5 miliardi di anni, cosa che oggi è fortemente in dubbio (ne ho parlato qui)
b. differenziazione di un oceano di magma basale formatosi precocemente. Anche in questo caso dopo la prima formulazione ci sono state altre ricerche ispirate a questa ipotesi. Ad esempio Deng et al (2025) hanno utilizzato modelli termodinamici e geodinamici combinati per studiare la cristallizzazione della parte basale dell’oceano di magma primordiale, continuamente contaminata da ossidi provenienti dal nucleo.
La modellazione ha dimostrato che:
- il mantello derivante dalla solidificazione di tale oceano di magma contaminato può portare alla formazione di strutture nel mantello profondo coerenti con le grandi province a bassa velocità (LLSVP).
- questi materiali risalgono come plumes nella parte solida sottostante all’oceano di magma, nel quale si possono diffondere
- la parte basale dell'oceano di magma contaminata eredita così dal nucleo le composizioni isotopiche di silicio, tungsteno ed elio e mostra arricchimenti in elementi in tracce
Questa soluzione giustifica molto bene la firma geochimica sorprendente di quei basalti delle isole oceaniche (OIB) e la trovo ben più convincente della precedente.
LE LLSV COME RESTI DI THEIA, IL PLANETESIMO CHE HA IMPATTATO SULLA TERRA CON LA SUCCESSIVA FORMAZIONE DELLA LUNA. La strana firma geochimica dei basalti delle isole oceaniche OIB suggerirebbe, in modo un po' intrigante, che le LLSVP conservino volatili provenienti dalla nebulosa primordiale dalla quale si è formato il Sistema Solare. Il problema è che la presenza di tali volatili non è facilmente spiegabile attraverso la successiva differenziazione terrestre avvenuta dopo la formazione della Luna.
Qualche anno fa è stata avanzata una sorprendente soluzione. Attualmente è “ampiamente accettata” l’ipotesi secondo la quale la Luna si sia formata in seguito a un cataclisma violento: 4,5 miliardi di anni fa, un protopianeta chiamato Theia si scontrò con la giovane Terra. Una parte dei detriti dell’impatto si sono addensati formando la Luna, ma se non tutta Theia si è volatilizzata nell’impatto vuol dire che qualcosa è rimasto attualmente dentro la Terra.
Yuan et al. (2023) partono da modelli secondo i quali, sulla base del maggiore contenuto di FeO osservato nella Luna il mantello di Theia sarebbe stato intrinsecamente più denso del 2,0–3,5% rispetto al mantello della proto-Terra. Se una frazione di materiale del mantello di Theia fosse penetrata nel mantello terrestre post-impatto, questo materiale, in gran parte fuso, potrebbe essersi successivamente solidificato e inabissato fino alla porzione più profonda del mantello terrestre semplicemente proprio per la sua maggiore densità. Quindi gli Autori suggeriscono che queste gigantesche anomalie siano in realtà resti intatti del mantello di Theia, ricco di ferro, sprofondati dopo l'impatto e sopravvissuti fino a oggi.
Questa idea è molto suggestiva, ed ha il vantaggio di spiegare abbastanza facilmente le caratteristiche particolari delle LLSVP, sia geofisiche che geochimiche.
Nel caso che Yuan et al (2023) avessero ragione, a causa delle evidenti relazioni fra LLSVP e Large Igneous Provinces, si dovrebbe concludere che l’impatto di Theia continui ad avere conseguenze sulla tettonica terrestre dopo 4 miliardi e mezzo di anni. Anzi, senza l’impatto la superficie terrestre e la distribuzione delle masse continentali sarebbe estremamente diversa da quella che vediamo oggi. E anche l’evoluzione della vita sul nostro pianeta
BIBLIOGRAFIA
Christensen e Hofmann (1994). Segregation of subducted oceanic crust in the convecting mantle J. of Geoph.Res. 99, B10, 19867-19884
Deng et al (2025). Deep mantle heterogeneities formed through a basal magma ocean contaminated by core exsolution. Nature Geoscience 18/10, 1056–1062
Garnero et al (2016). Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth’s mantle. Nature. Geoscience. 9, 481–489
Liu (2018). Origin of the LLSVPs at the base of the mantle is a consequence of plate
tectonics e A petrological and geochemical perspective. Geoscience Frontiers 9 (2018) 1265e1278
Niu (2018). Origin of the LLSVPs at the base of the mantle is a consequence of plate
tectonics – A petrological and geochemical perspective. Geoscience Frontiers 9, 1265e1278
Powell et al (1995). Did Pannotia, the latest Neoproterozoic southern supercontinent, really exist? Eos (Transactions, American Geophysical Union), Fall Meeting,76,46, p.172
Santosh et al (2009). The making and breaking of supercontinents: Some speculations based on superplumes, super downwelling and the role of tectosphere. Gondwana Research 15 (2009) 324–341
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
Yuan et al (2023). Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies. Nature 623, 95–99
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