L oceano del faraone

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1 n mediterraneo n L oceano del faraone La placca africana ed arabica si separano di circa 15 millimetri all anno destinando il Mar Rosso a diventare il quarto oceano del pianeta Marco Ligi, Enrico Bonatti, Marco Taviani I Mar Rosso, quel braccio d acqua tra Africa ed Asia, ricco di storia, che nei millenni vide fiorire civiltà, nascere religioni e combattere guerre, da un punto di vista geologico rappresenta un oceano ancora nella sua infanzia. L Esodo racconta della fuga dalla schiavitù, sotto il Regno d Egitto, del popolo d Israele verso la Terra Promessa, attraverso il Mar Rosso: «Allora Mosè stese la mano sul mare e le acque si divisero. Gli Israeliti entrarono nel mare asciutto, mentre le acque erano per loro una muraglia a destra e a sinistra. Gli Egiziani li inseguirono con tutti i cavalli del faraone, i suoi carri e i suoi cavalieri, entrando dietro di loro in mezzo al mare. Il Signore disse a Mosè: stendi la mano sul mare: le acque si riversino sugli Egiziani, sui loro carri e i loro cavalieri. Mosè stese la mano sul mare, le acque ritornarono e sommersero i carri e i cavalieri di tutto l esercito del faraone, che erano entrati nel mare dietro a Israele: non ne scampò neppure uno». L apertura biblica del Mar Rosso fa da eco a quella geologica; in fatti le placche Africa ed Arabia si separano alla velocità di circa 15 mm/anno e quest oceano-bambino è destinato a diventare il quarto del pianeta, insieme all Indiano, al Pacifico e all Atlantico, e in futuro località come Sharm-el-Sheik, tra le più ambite mete turistiche del pianeta, si affacceranno non più su un mare minore, ma su un grande oceano. Per oltre 2 miliardi di anni il motore interno del nostro pianeta ha innescato un processo ciclico (con un periodo di circa 500 milioni di anni), dove gli oceani si chiudono e i continenti si aggregano in un singolo super-continente che poi viene disgregato e disperso. Uno dei passi principali, nel Ciclo di Wilson, è la separazione continentale e la nascita di un nuovo oceano, con la conseguente formazione di mar gini passivi coniugati. La frammentazione di un blocco continentale avviene, quando a seguito di un regime estensionale, la deformazione si focalizza in una regione ben definita in genere in corrispondenza di zone di debolezza litosferica, come per esempio le vecchie linee di sutura e la litosfera continentale inizia ad assottigliarsi, dando così vita ad un rift continentale. In seguito, con il proseguire dell e stensione, i blocchi continentali si dividono definitivamente con la formazione di una dorsale medio-oceanica, al di sotto della quale il mantello astenosferico risale e fonde parzialmente producendo nuova crosta oceanica. La regione dell Africa Orientale-Golfo di Aden-Mar Rosso contiene una serie di rift in differenti stadi di evoluzione, da l 90 n Darwin n settembre/ottobre

2 Figura 1. La ricostruzione tri-dimensionale della morfologia dei bacini Thetis e Nereus, nel Mar Rosso centrale, mostra un oceano durante le fasi iniziali della sua formazione. Il flusso di sali evaporitici dal margine arabico (a destra), che inonda le regioni bacinali della depressione Thetis, forma delle lingue del tutto simili a quelle glaciali. completamente continentale (Africa Orientale) a oceanico (Golfo di Aden) con il Mar Rosso in una fase intermedia. A partire dal tardo Oligocene, circa 30 Ma (milioni di anni fa), questo sistema di rift ha cominciato a frammentare lo scudo Afro-arabico, costituito da antiche zone di arco vulcanico e baci 91 n Darwin n settembre/ottobre

3 Mar Rosso Centrale (a) e batimetria di dettaglio della regione Thetis-Nereus (b). ni di retro-arco, microplacche continentali e relativi bacini oceanici saldati insieme quando il continente del Gondwana fu assemblato durante il ciclo orogenico Proterozoico Pan-Africano. L arrivo circa 40 Ma del plume di mantello (un anomalia termica o composizionale) in corrispondenza della regione dell Afar può aver innescato e influenzato fortemente l evoluzione di questo sistema di rift. Nel Mar Rosso meridionale, una valle assiale continua si estende per circa 450 km, fiancheggiata da anomalie magnetiche con un andamento lineare. Le anomalie magnetiche, disposte lungo fasce parallele all asse, registrando in maniera simmetrica l alternarsi dei periodi normali e inversi del campo magnetico terrestre, fanno ritenere che questo settore del Mar Rosso sia in una fase di oceanizzazione avanzata, con produzione di crosta basaltica oceanica iniziata circa 5-6 Ma. Nel Mar Rosso centrale, le anomalie magnetiche diventano discontinue e la crosta oceanica viene focalizzata in piccole celle isolate; mentre nel Mar Rosso settentrionale risultano assenti, sebbene siano state osservate alcune intrusioni basaltiche, suggerendo che questo settore si trovi ancora nella fase di rift continentale. Dunque, non vi è altro luogo sulla superficie della Terra, ove la transizione da un rift continentale a uno oceanico, può essere studiata meglio che in Mar Rosso. In epoca recente non è stato possibile condurre campagne scientifiche in questa regione a causa della terribile situazione politica, estremamente conflittuale. Comunque nell inverno del 2004, l Istituto di Scienze Marine di Bologna del Cnr è riuscito ad ottenere le autorizzazioni dalle autorità competenti di Egitto, Sudan ed Arabia Saudita, necessarie per eseguire indagini geologico-geofisiche nell area del Mar Rosso centrale. Il 28 Dicembre 2004, nonostante il mare in burrasca, la nave Urania, ammiraglia della flottiglia Cnr, salpava dal porto di Napoli verso il Mar Rosso con l obiettivo di studiare le fasi iniziali della formazione di un bacino oceanico. La navigazione procedeva sotto costa cercando di mitigare gli effetti del forte vento e delle onde; la situazione meteo non cambiò nemmeno superato la stretto di Messina e si decise di risalire lo stivale costeggiando il lato Ionico della Calabria. Finalmente all altezza della foce del Crati, si aprì una finestra di condizioni meteo favorevoli e il comandante diresse la prua della nave verso Corinto. Una volta attraversato il canale artificiale di Corinto, con l imbarcazione che passava di misura tra le irte pareti del canale, ci siamo diretti verso Port Said, l imboccatura sul Mediterraneo del Canale di Suez. Qui abbiamo imbarcato i nostri colleghi egiziani, sauditi e tedeschi. Per attraversare i 160 km del canale abbiamo impiegato una intera giornata, in convoglio, in mezzo a navi gigantesche, che sembravano navigare in mezzo al deserto. Erano trascorsi sette giorni dalla nostra partenza da Napoli, quando abbiamo raggiunto l area di lavoro stabilita: le depressioni assiali di Thetis e Nereus, poche miglia a sud dell Isola di Zabargad, famosa sin dall epoca dei Faraoni per i suoi grossi cristalli limpidi di olivina color smeraldo. I bacini di Thetis e Nereus costituiscono le regioni più settentrionali del Mar Rosso pavimentate da basalti di tipo oceanico 92 n Darwin n settembre/ottobre

4 Figura 3. Profilo sismico multicanale perpendicolare e centrale all asse del bacino Meridionale di Thetis. e dunque rappresentano il luogo in cui il passaggio da rift continentale ad oceanico è avvenuto in epoca recente o è ancora in atto. Siamo rimasti nell area di lavoro 14 giorni e abbiamo raccolto una grande quantità di dati: la copertura completa della zona a mezzo di ecoscandaglio multi-fascio, che ha fornito la batimetria e la morfologia di dettaglio del fondale marino con una risoluzione di circa 25 m (figura 1); una fitta rete di linee magnetiche, gravimetriche e sismiche a riflessione (mono e multicanale) e una serie di campioni di rocce basaltiche strappate al fondale tramite draga. I dati raccolti hanno evidenziato che i bacini Thetis e Nereus si sono impostati entro una spessa coltre evaporitica e sono separati da una regione di raccordo non oceanica (figure 1 e 2). Le evaporiti si sono deposte in tutto il bacino del Mar Rosso durante il Miocene, quando fu attivata la connessione con il Mar Mediterraneo e si svilupparono condizioni lagunari in gran parte della regione con la deposizione di potenti spessori di sali marini (fino a 7 km) da costa a costa. I sedimenti pre-evaporitici sono molto limitati e di tipo continentale. Alla fine del Miocene, nel Messiniano (5 Ma), la connessione con il Mediterraneo si è interrotta e il Mar Rosso è diventato un bacino chiuso dove hanno prevalso condizioni erosive su tutto il margine, successivamente si è aperta la comunicazione con il Golfo di Aden ed è iniziata una sedimentazione neritica. La discordanza alla base della successione post-evaporitica è ben documentata nei profili sismici della regione e designata come riflettore S (figura 3). La sedimentazione durante il Quaternario è quella tipica di un bacino in ambiente arido con scarsi apporti terrigeni ed è principalmente costituita da ooze carbonatici con alcune interruzioni dovute alle variazioni climatiche che hanno formato hardgrounds durante i periodi di stazionamento basso del livello marino e sapropels durante le fasi pluviali. L analisi dei dati geofisici raccolti ha fornito oltre la morfologia, la distribuzione delle anomalie magnetiche e gravimetriche, le variazioni di spessore crostale, l intensità di magnetizzazione e l età delle rocce basaltiche e le variazioni del tasso di espansione oceanica. L integrazione di tutti questi dati ha permesso di ricostruire quello che accade durante i primi istanti della formazione di un nuovo oceano. Il bacino Thetis è lungo circa 65 km, ed è caratterizzato da una profonda valle assiale che raggiunge la profondità massima di m, attualmente costituita dalla coalescenza di tre sotto-bacini (Meridionale, Centrale e Settentrionale) debolmente dislocati verso Oriente, che diventano meno profondi e più stretti 93 n Darwin n settembre/ottobre

5 procedendo da Sud verso Nord. Le ripide pareti della valle che ribassano il fondale di oltre m, sono l espressione di faglie normali estensionali che tagliano tutta la successione evaporitica. I ripidi versanti sono localmente addolciti dal flusso del sale Miocenico, che trasportando tutta la successione sedimentaria sovrastante, forma delle vere e proprie lingue (come i ghiacciai sulle nostre Alpi) che si dirigono verso le regioni più profonde. Il bacino Meridionale è caratterizzato da una zona neo-vulcanica assiale fortemente magnetica e da numerosi piccoli vulcani centrali casualmente distribuiti (alti m e con un diametro di alcune centinaia di metri) del tutto simili a quelli che si possono osservare nella regione dell Afar, dove il limite di placca di accrezione tra Nubia e Arabia è osservabile in terraferma. Due anomalie magnetiche negative fiancheggiano l anomalia centrale positiva, a loro volta in continuità laterale con anomalie positive (figura 4), suggerendo una messa in posto iniziale di crosta oceanica a partire da circa 2,2 Ma, con una velocità di espansione massima nelle fasi iniziali (23 mm/a) che diminuisce fino a 8 mm/a durante l ultimo periodo normale del campo magnetico terrestre (Brunhes 0,78 Ma). Le fasi di massima velocità di apertura coincidono con quelle di elevata attività magmatica e produzione di crosta oceanica. Dirigendosi verso Nord le anomalie magnetiche negative che fiancheggiano quella centrale scompaiono suggerendo un inizio di oceanizzazione più recente, il bacino si allarga mostrando (10 km più ad Est) un secondo rilievo assiale vulcanico giusto in corrispondenza della zona neo-vulcanica del bacino Centrale, indicando che in questa zona di sovrapposizione la crosta oceanica inizialmente viene prodotta attraverso dicchi, alimentati da una camera magmatica centrale al segmento di accrezione, che si propagano lungo asse in entrambe le direzioni mantenendo la segmentazione dei centri di espansione, senza la necessità di sviluppare faglie trasformi. Il bacino Centrale mostra caratteristiche morfologiche simili a quello Meridionale, ma le anomalie magnetiche indicano un inizio della messo in posto di crosta oceanica più recente (1,6 Ma) con una velocità di espansione media di circa 15 mm/a. Il bacino Settentrionale non mostra una chiara ben sviluppata zona neo-vulcanica; la forte anomalia centrale positiva suggerisce un età recente della crosta oceanica (< 0,78 Ma). Dunque le anomalie magnetiche ci indicano che a Thetis è presente una progressione da Sud a Nord della messa in posto iniziale di crosta oceanica, con una velocità di propagazione di circa 40 mm/a, significativamente più alta della velocità di espansione. Il bacino Nereus, che raggiunge la profondità massima di m, è caratterizzato da una valle assiale lungo 50 km, limitata da pareti ripide e alte 1,4 km, leggermente asimmetriche (quella orientale è più alta e più ripida) e localmente addolcite dalla tettonica salina, con una morfologia a gradini dovuta a faglie normali. La regione centrale della valle, larga 12 km, è marcata da un rilievo vulcanico assiale che sovrasta il fondo valle fino a 300 m, con una marcata anomalia centrale positiva e dominata da basalti recenti tipicamente oceanici. Nella zona centrale l anomalia positiva è fiancheggiata da quelle negative che scompaiono procedendo verso la punta meridionale del segmento, suggerendo un inizio della produzione di crosta oceanica a circa 2 Ma nel centro del bacino e più recente in prossimità della fine del segmento di accrezione, con una velocità iniziale di espansione di 26 mm/a che diminuisce a 10 mm/a durante il Brunhes (< 0,78 Ma). La propagazione lungo asse è indicata dai terreni più giovani e dalla più alta produzione magmatica recente procedendo verso gli estremi del segmento. La zona di raccordo tra i bacini Thetis e Nereus, lunga 50 km, è caratterizzata da una vasta depressione poco profonda (1.400 m) colma di sedimenti e senza alcuna traccia di vulcanesimo e di anomalie magnetiche. La regione centrale di questa depressione è dissecata da figure topografiche curvilinee allineate lungo l asse del Mar Rosso, dovute al piegamento della copertura sedimentaria, passivamente trasportata dal flusso convergente delle evaporiti verso l asse del rift. Tutto questo fa pensare che in corrispondenza della zona di transizione fra Thetis e Nereus, la crosta sottostante le evaporiti Mioceniche e i sedimenti biogenici Plio- Quaternari, sia ancora di tipo continentale. Attualmente (< 0,78 Ma) la messa in posto iniziale di crosta oceanica avviene in corrispondenza del bacino Settentrionale di Thetis e della punta meridionale di Nereus. Qui la zona assiale di accrezione mostra un intensità di magnetizzazione doppia rispetto alle regioni assiali di Thetis Centrale e Meridionale, dove la fase oceanica è iniziata rispettivamente a 1,6 e 2,2 Ma. I basalti provenienti dalle regioni ad alta magnetizzazione non sono arricchiti in ferro, dunque possiamo supporre che la forte magnetizzazione sia dovuta a un maggiore spessore della crosta basaltica, come anche evidenziato dagli spessori crostali inferiti dalla gravimetria. Anche le velocità di espansione, rilevate a Thetis Meridionale e centralmente a Nereus, risultano massime nelle prime fasi di produzione di crosta oceanica diminuendo verso tempi recenti. Inoltre, i vetri basaltici campionati a Thetis Settentrionale e all estremo meridionale di Nereus, hanno un contenuto in sodio (corretto per cristallizzazione frazionata) molto più basso dei vetri campionati altrove. Il conte 94 n Darwin n settembre/ottobre

6 Figura 4. Schema evolutivo del processo di oceanizzazione nel Mar Rosso. In alto: formazione di celle convettive lungo asse nel mantello astenosferico, che permettono la risalita di magma in nuclei discreti da cui il processo di ocenizzazione inizia attraverso una propagazione assiale. In basso: avvenuta la rottura completa della litosfera continentale, si sviluppa una fase altamente magmatica con produzione di potenti spessori di crosta basaltica e con velocità di espansione che supera quella di separazione delle placche. nuto in sodio dei basalti è inversamente proporzionale al grado di fusione a cui essi sono generati. Dunque questi basalti sono generati da un mantello che ha subito un grado di fusione maggiore di quelli prodotti in epoca recente a Thetis Meridionale e Centrale, e nella regione centrale di Nereus. Questo suggerisce che i basalti prodotti nelle prime fasi di messa in posto di crosta oceanica sono prodotti da un grado di fusione maggiore rispetto alle iniezioni di fuso successive. Questi risultati implicano un intenso impulso iniziale nella generazione di crosta oceanica e velocità di espansione, non appena la crosta continentale assottigliata si rompe definitivamente. Combinando le informazioni suggerite dall analisi dei dati geofisici con quelli geochimici dei vetri basaltici campionati e con quelli provenienti da modelli numerici, siamo riusciti a determinare che la causa di questo impulso iniziale non può essere imputata a variazioni di temperatura o fertilità del mantello astenosferico in risalita, ma bensì a una sua maggiore velocità di risalita per la formazione di celle convettive a piccola scala, perpendicolari all asse del rift, in ragione del forte gradiente termico che si viene a sviluppare tra il mantello astenosferico caldo in risalita e l adiacente mantello continentale freddo (figura 4a). Dopo questa fase attiva di risalita che dissipa l eccesso di energia accumulata al di sotto di ogni cella, il gradiente termico perpendicolare all asse diminuisce, ne segue che il mantello in risalita e la produzione crostale diminuiscono e si aggiustano verso condizioni stazionarie. I nostri risultati confermano anche l ipotesi che l oceanizzazione non avvenga in modo sincrono lungo tutto l asse del Mar Rosso, ma inizialmente in celle isolate, che successivamente agiscono da nuclei per la propagazione assiale risultando poi in un limite di placca di accrezione continuo, come osservato oggi nel Mar Rosso Meridionale. La distribuzione di queste celle oceaniche iniziali può essere spiegata considerando una convezione lungo-asse guidata dalle forze di galleggiamento associate a una astenosfera a bassa viscosità, calda e ricca di fuso al di sotto di una litosfera continentale assottigliata. L attivazione di queste celle è proseguita in Mar Rosso da Sud a Nord, da 5-6 Ma alle latitudini comprese tra 16 N e 19 N, a 2 Ma nella cella Nereus alla latitudine di 23 N, con una lunghezza della segmentazione compresa tra i 50 e i 100 km (figura 4b). La distribuzione di queste celle iniziali di oceanizzazione può essere influenzata anche dalla presenza di strutture preesistenti alla rottura continentale. Il rift oceanico del Mar Rosso, che si propaga in direzione Nord, può avere incontrato ed essere stato dislocato dalla zona di frattura Zabargad, una delle maggiori figure morfo-tettoniche della regione che interseca il Mar Rosso in prossimità dell isola omonima in direzione NNE, e che rappresenta probabilmente il precursore di una faglia trasforme oceanica a grande dislocazione. Un impulso di risalita attiva del mantello astenosferico, nei primi istanti della separazione di due blocchi continentali, può essere un processo comune durante la rottura continentale: per esempio può essere avvenuta in tutti i segmenti di transizione continente-oceano, tipo Mar Rosso, durante la separazione Mesozoica del Nord America dalle placche Eurasia e Africa, che ha portato alla formazione dell odierno Oceano Atlantico. Marco Ligi, Enrico Bonatti, Marco Taviani, Ismar-Cnr Bologna 95 n Darwin n settembre/ottobre