Università degli Studi di Cagliari Facoltà di Scienze. Dipartimento di Scienze chimiche e geologiche - Cagliari

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1 Università degli Studi di Cagliari Facoltà di Scienze LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE GEOLOGICHE Insegnamento di TETTONICA E GEODINAMICA : crosta, mantello e nucleo A.A Docente: Antonio Funedda QUESTE DISPENSE SONO DESTINATE ESCLUSIVAMENTE AGLI STUDENTI DELLA LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE GEOLOGICHE A.A CHE SEGUONO L INSEGNAMENTO DI TETTONICA E GEODINAMICA HANNO QUINDI SOLO UNO SCOPO DIDATTICO E VENGONO DISTRIBUITE GRATUITAMENTE. NON POSSONO ESSERE ASSOLUTAMENTE MESSE IN VENDITA SOTTO QUALSIASI FORMA. I DIRITTI DELLE FIGURE SONO DI PROPRIETÀ DEGLI AUTORI CITATI. Talvolta le figure sono modificate, in genere colorate e le scritte tradotte in italiano, per esigenze didattiche. Eventuali errori dovuti a queste manipolazioni sono responsabilità del docente. N.B. Queste dispense costituiscono il materiale utilizzato durante il corso, ma non sono da ritenersi esaustive degli argomenti trattati a lezione, che a seconda delle esigenze didattiche, anche dovute alle sollecitazioni degli studenti, potranno essere modificate in corso d opera. Al fine di migliorare questo supporto didattico si prega di contattare il docente per evidenziare eventuali contraddizioni con i libri di testo consigliati. 1

2 STRATIGRAFIA COMPOSIZIONALE STRATIGRAFIA REOLOGICA 2

3 Modello sulla composizione della Terra (su basi petrologiche) Assunzioni di base: il vulcanismo basaltico è il più importante e deriva da fusione parziale di rocce del mantello superiore (> 100 km) Xenoliti ricchi in Fe e Mg (peridotiti) sono i residui della fusione parziale MODELLO PIROLITICO Ringwood (1975) propose una composizione ipotetica (PYROLITE) formata al 25% da basalto e al 75% da te harzburgite (una peridotite impoverita). Questo modello presuppone una composizione omogenea del mantello 3

4 Modello sulla composizione della Terra (su basi planetarie) MODELLO CONDRITICO Composizione delle meteoriti primordiali (carbonaceous chondrite) Composizione dello strato convettivo esterno del Sole Questo modello presuppone una composizione stratificata del mantello, con una parte più ricca in Silicio. da S. Karato 2008 Modelli sulla composizione della Terra Su basi petrologiche (es. Ringwood 1975, e altri) Su basi planetarie (condriti) Geochemical constraint on the composition of the core: Cosmochemical abundances: the only plausible material that is consistent with the density of the core is iron and 4-6% of nickel The iron-nickel misture provides a composition for the outer core that is 8-15% too dense and it must therefore contain a small quantity of some lighter elements The composition of the core may also have been modified during Fe-silicate separation 4

5 La crosta terrestre: Tre tipi fondamentali 30/70 km 15/30 km 3/15 km da Condie, Earth as an Evolving Planetary System - Elsevier Dimensioni delle placche tettoniche: Esiste una correlazione diretta tra le dimensioni delle placche tettoniche e la loro altezza media, con alcune eccezioni. da Condie,

6 La crosta terrestre: struttura sismica La Moho ha una profondità diversa a seconda del tipo di crosta. Non ha sempre una distribuzione omogenea e semplice. In alcuni casi esistono due tipi di discontinuità, una Moho sismica ed una petrologica. da Condie, 2005 La crosta terrestre: struttura sismica da Condie,

7 La crosta continentale spessore ca. 35 km (max >70 km) 30 MPa km C km -1 Indagini dirette -> sondaggi - circa 10 km ed indirette-> xenoliti, rocce esumate, sismica 40 km 23 km Crosta superiore = 2,68 t m -3 Vp = 5,6 km s -1 Fino a -12 km da:enciclopedia of Geology-Elsevier composizione granodioritico-dioritica (non granitica 2,67 t m -3 ) alta concentrazione di K, Th, U. La crosta continentale 40 km 23 km da:enciclopedia of Geology-Elsevier Crosta media da -12 a -23 km Vp = 6,3 6,6 km s -1 Crosta inferiore da -23 a -40 km Vp = 6,8 7,7 km s -1 composizione complessa C.m. e C.i.: metamorfiti di basso grado (rift) ed alto grado (orogeni). Cm.: prevalenza di rocce più evolute, meno mafiche. C.i, alla base: se anidra-> granuliti o eclogiti, se idrata- >anfiboliti C.i. : maggiore rapporto di Poisson n correlato alla composizione: maggiore in zone di rift, bassa prevalenza di silicati, alta prevalenza di femici. Spessore variabile a secondo del contesto tettonico 7

8 La crosta continentale differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche Scudi precambriani: parti stabili dei continenti composte da rocce precambriane con scarsa o nessuna copertura sedimentaria. Prevalgono le rocce metamorfiche e plutoniche; temperatura e pressione (P-T) suggeriscono profondità di sepellimento che vanno da 5 km a 40 km o più. Gli scudi, in generale, presentano rilievi bassi e sono rimaste tettonicamente stabili per lunghi periodi. I più grandi sono in Africa, Canada e Antartide. da Condie, 2005 La crosta continentale differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche Piattaforme: parti della crosta con bassi rilievi. Sono composte da basamenti cristallini precambriani e sono tettonicamente stabili rispetto agli orogeni adiacenti. Le rocce sedimentarie variano in età da Precambriano al Cenozoico e raggiungono spessori di 5 km. Piattaforme + Scudi precambriani = Cratoni aree costituite da antichi orogeni, sollevati ed erosi da Condie,

9 La crosta continentale differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche Orogeni collisionali: Sono lunghe fasce curvilinee interessate da una deformazione compressiva causata da collisione continentale. Hanno gigantesche falde tettoniche. I vecchi orogeni collisionali, come quello varisico europeo, sono profondamente erosi ed hanno modesti rilievi, mentre gli orogeni giovani, come le Alpi e l'himalaya, sono tra le catene montuose più alte della Terra. Gli orogeni proterozoici sono profondamente erosi e sono ormai parte dei cratoni Precambriani. Alcuni grandi altopiani crostali a quota elevata, sono sfuggiti alla deformazione maggiore, sono associati ad alcuni orogeni, come il plateau del Tibet nell'orogene himalayano. da Condie, 2005 La crosta continentale differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche 9

10 La crosta terrestre nell'europa centrooccidentale: Spessore molto variabile a seconda del tipo: oceanica, continentale (orogeni mesoterziari, orogeni paleozoici, scudi, ecc.) La crosta oceanica struttura sismica della crosta oceanica da Kearey, Klepeis & Vine

11 La crosta oceanica da:enciclopedia of Geology-Elsevier strato 1: sedimenti terrigeni, depositi pelagici, fanghi organogeni, noduli di manganese (isobatiti = contourites). Spessore circa 0,4 km. Differente distribuzione dei sedimenti tra Pacifico ed Atlantico. La crosta oceanica Particolare dello strato 1 da:enciclopedia of Geology-Elsevier dettaglio strato 1 nell Atlantico settentrionale 11

12 La crosta oceanica da:enciclopedia of Geology-Elsevier strato 2: basalti tholeitici ad olivina, poveri in K e Na, con Pl calcico (Vp = 3,2-6,2 km s -1 ; 1-2,5 km. a-basalto fratturato e lave a cuscini (Vp = 3,6 km s -1, 0-1 km) b-basalto massivo con dicchi (Vp = 4,8-5,5 km s -1, 0-1 km) c-dicchi tabulari (Vp = 5,8-6,2 km s -1, 1,0 km) strato 3: a-gabbro isotropo (Vp = 6,5-6,8 km s -1, 2 km) b-cumuliti (Vp = 7,0-7,7 km s -1, 3 km) diverse interpretazioni usando il rapporto di Poisson La crosta oceanica differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche da Condie, 1997 Dorsali oceaniche Sono alti topografici sul fondo marino e sono tettonicamente instabili. In genere si forma una valle mediana vicino alla loro cresta. La struttura crostale sismica differisce tra le dorsali ad espansione rapida (80 mm / anno) e quelle ad espansione lenta (12-50 mm / anno). Le dorsali ultra-lente (12 mm / anno) hanno la topografia più movimentata, spesso con rocce di mantello esposte sul fondo del mare. La crosta inferiore (lo strato 3) è sottile e poco sviluppato nelle dorsali ad espansione lenta. La Moho è un limite netto e tettonica e può essere una superficie di scollamento. Al contrario, in caso di dorsali ad espansione rapida, la Moho è una zona di transizione spessa fino a 1 km. In generale, la topografia accidentata è tipica delle dorsali ad espansione lenta creste a diffusione lenta, e una topografia più dolce è più comune nelle dorsali ad espansione rapida. Queste ultime non presentano rift assiali ben sviluppati. Le grandi camere magmatiche in asse con la dorsale e capaci di produrre una crosta inferiore gabbroide sono limitate a quelle ad espansione rapida. Nelle dorsali ad espansione lenta, come quella medio-atlantica, non si hanno camere magmatiche permanenti. Bacini oceanici Comprende più superficie della Terra (38%) rispetto a qualsiasi altro tipo di crosta. Poiché la crosta oceanica è sottile, tuttavia, essi costituiscono solo il 12% del suo volume. Tettonicamente stabile e caratterizzato da una sottile copertura sedimenta (circa 0,3 km di spessore) e da anomalie magnetiche lineari. Lo strato di sedimenti si ispessisce nei pressi dei continenti e degli archi da cui vengono forniti sedimenti detritici. 12

13 La crosta oceanica differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche Isole vulcaniche Si ritrovano nei bacini oceanici (come le isole Hawaii) o sopra o vicino alle dorsali oceaniche (Isola di Ascensione nell'oceano Atlantico). Sono grandi vulcani emersi eruttati sul fondo marino. Se sono sotto il livello del mare, sono chiamati seamounts. Le isole vulcaniche hanno dimensioni variabili da meno di 1 a circa 104 km2. I guyots sono seamounts spianati, prodotti dall'erosione a livello del mare seguita da un annegamento. Attive (Hawaii); inattive (Isola di Pasqua). Bacini di retroarco Segmenti di crosta oceanica tra archi insulari (Filippine) o tra archi e continenti (es.: Mare del Giappone). Sono caratterizzati da una topografia horst-graben con grosse faglie subparallele all'arco. Lo spessore della copertura sedimentaria è variabile. I bacini attivi hanno una copertura sedimentaria sottile, una topografia ad horst-graben molto articolata ed un elevato flusso di calore. I bacini inattivi hanno spessori del sedimento variabili e generalmente basso flusso di calore. Fosse oceaniche Segnano l'inizio delle zone di subduzione. Le fosse sono parallele agli archi vulcanici ed hanno profondità da 5 a 8 km. Contengono relativamente piccole quantità di sedimenti depositati principalmente da correnti di torbida e derivate dai vicini archi vicini o vicine aree continentali. da Condie, 1997 La crosta oceanica Pillow lavas Sheeted-dykes complex da Kearey, Klepeis & Vine

14 Sequenze ofiolitiche simile composizione chimica, grado metamorfico e gradiente termico nelle dorsali, giacimenti, sedimenti di acqua profonda, velocità delle onde sismiche da Moores & Twiss Differenze tra sequenze ofiolitiche e crosta oceanica 14

15 Metamorfismo della crosta oceanica Geoterme del mantello superiore da Condie,

16 La crosta transizionale da Condie, 1997 La crosta transizionale differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche Plateaux oceanici Estesi rilievi spianati altopiani che si ergono dal fondo marino, composti in gran parte da rocce vulcaniche e intrusive mafiche. Sono generalmente coperti da un sottile strato di sedimenti di mare profondo e in genere si elevano di 2 km al di sopra del fondo marino. I rilievi tabulari oceanici sono i più importanti per i volumi di rocce ignee mafiche sulla superficie terrestre. I magmi in questi rilievi, con i loro equivalenti continentali noti come flood-basalti, sembrano essere prodotti da punti caldi originati nel mantello. Alcuni dei più grandi espandimenti oceanici si sono formati nel Cretaceo medio. La maggior parte di questi particolari rilievi oceanici hanno spessori da 15 a 30 km, alcuni anche superiori Archi Si trovano nelle zone di subduzione. Sono di due tipi: archi insulari che si sviluppano su crosta oceanica e archi di margini continentali che si sviluppano su crosta continentale o transizionale. La maggior parte delle grandi catene vulcaniche (Ande, Cascade e la Catena giapponese) sono archi vulcanici su margini continentali. Alcuni archi, come le isole Aleutine, dai margini continentali si propagano nella crosta oceanica. Gli archi moderni sono caratterizzati da attività di terremoto variabile, ma spesso intensa, e da vulcanismo, flusso di calore, gravità, spessore della crosta e altre proprietà fisiche molto variabili. Gli archi sono composti prevalentemente da rocce vulcaniche e plutoniche recenti e sedimenti derivati dal loro smantellamento. da Condie,

17 La crosta transizionale differenziazioni per la struttura interna e la posizione all interno delle placche Rift continentali: Depressioni limitate da faglie, larghe da 30 a 75 km e lunghe da decine a centinaia di chilometri. Sono caratterizzate da una tettonica estensinoale (velocità di estensione inferiore a qualche millimetro all'anno). Il più lungo sistema di rift è quello dell'africa orientale (più di 6500 km dalla parte occidentale dell'asia Minore all'africa sud-orientale). Gli aulacogeni sono rift che muoiono verso l'interno dei continenti, e molti sembrano rappresentare «bracci abortiti» di giunzioni triple formate durante la separazione dei supercontinenti. I rift giovani (<30 Ma) sono tettonicamente instabili e i terremoti, sebbene abbastanza frequenti, sono generalmente di scarsa intensità. Bacini marini intracontinentali Da parzialmente a completamente circondati da crosta continentale, sono tettonicamente stabili. L'attività sismica è trascurabile o assente. I bacini marini intracontinentali contengono potenti successioni (10-20 km) di sedimenti clastici, e sono comuni sia i diapiri di fango che di sale. Alcuni, come il Mar Caspio e il Mar Nero, sono i resti di grandi oceani che si sono chiusi nel passato geologico. da Condie, 1997 Differenze tra crosta continentale, transizionale e crosta oceanica da Condie,

18 Peridotite zone Differenze tra crosta continentale e crosta oceanica Stratificazione Spessore: km vs 7 km Età: vs 200 Ma Attività tettonica Attività ignea da:enciclopedia of Geology-Elsevier Il mantello Campionamento diretto: camini kimberlitici, ofioliti, xenoliti. Stratificazione: Mantello superiore (fino a 410 km) (Vp = 8,1 km s 1 ) Zona di transizione ( km) Mantello inferiore (650 a 2891km) = 70% della massa delle Terra solida da Kearey & Vine

19 Il mantello Struttura sismica: Zona a bassa velocità (da fino a km): diverse spiegazioni: la più probabile -> fusione parziale (1%), presenza di acqua. onde S da Kearey & Vine 1998 la LVZ dipende dalla inclinazione della geoterma da Condie, 2005 Il mantello Campionamento diretto: camini kimberlitici, ofioliti, xenoliti. Composizione: basaltica Peridotite (olivina abbondante e granato<15%) o Eclogite (scarsa olivina e granato>30%) stessa velocità sismica (ca 8 km/s). Peridotite: orientaz. preferenz. olivina [100], rapporto di Poisson, noduli peridotitici, densità ammissibile. Mantello impoverito, per allontanamento di elementi incompatibili, tra cui K, Th, U, ad es. mantello che origina la crosta tipo MORB. Nodulo peridotitico nei flussi basaltici alcalini della Sardegna orientale (prevalentemente olivina e pirosseni) Mantello arricchito: il m. inferiore, fonte della maggior parte del flusso di calore. 19

20 Il mantello Zona di transizione: discontinuità a 410 e 660 km cambiamenti di fase o di composizione chimica? Olivina (forsterite al 90%) = 57% -> (410 km e 1600 C)-> Mg 2 SiO 4 -> Spinello - >(660 km)-> MgSiO 3 Perovskite Pirosseni -> Ca-Granato-> Ilmenite - >(800km) Perovskite La slab in subduzione attraversa il limite a 660km? Contatto tra mantello e nucleo: orizzonte D'' base del mantello inferiore ca. 200 km spessore velocità sismiche anomale eterogeneo verticalmente e lateralmente Ci sono tre possibili cause che contribuiscono alla struttura sismica complessa nell'orizzonte D": 1.variazione di temperatura: effetto dell'affondamento delle piastre in subduzione e rilascio di calore dal nucleo. 2.cambiamenti composizionali: miscelazione di ferro liquido proveniente dal nucleo. 3.cambiamenti di fase mineralogica: breakdown della perovskite La bassa velocità sismica dovuta ad alte temperature e quindi a una viscosità bassa indicherebbe nell'orizzonte D'' la sorgente dei mantle plume. Davies and Richards (1992) suggest that a plume could be fed for 100 My from a volume of D" only a few tens of kilometres thick and km in diameter. These results are important for mantle dynamics because they suggest that plumes are fed from the lowermost mantle, whereas ocean ridges are fed from the uppermost mantle. 20

21 Il nucleo raggio medio 3485 km nucleo esterno: tra zona d'ombra -> fluido Componenti: n atomico > 23 (Fe, Ni, Va, Co) N. esterno: solo Fe e Ni troppo denso! (6-9% < ferro) liquido ad alte pressioni elementi leggeri: Si, S, O, K? N. interno: Fe età N. esterno: 60 Ma più giovane del sistema solare (isotopi del Hf). età N. interno basata su teorie non condivise: effetto dinamo (2,7 Ga), sorgenti radioattive (Proterozoico) Il N. i. è dovuto alla solidificazione del N. e. per raffreddamento; Il N.i. è fortemente anisotropo (onde P più veloci lungo l'asse di rotazione). Il rapporto di Poisson nel N.i. è ca. 0,44, dovuto più alla microstruttura che alla densità; I cristalli possono avere dimensioni ettometriche! (Bergman 1998), nel mantello inferiore solo2-3 mm. (da Murck et al., 1995) 21