Corso di Scienze del Cielo e della Terra. Alfonso Bosellini. La Terra dinamica. e Storia geologica dell Italia. Italo Bovolenta editore

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1 Corso di Scienze del Cielo e della Terra Alfonso osellini La Terra dinamica e Storia geologica dell Italia Italo ovolenta editore

2 SCALA dei TEMPI GEOLOGICI Milioni di anni (Ma) Oggi PRECAMRIANO EONE Adeano Archeano Proterozoico Fanerozoico ERA Cenozoico Mesozoico Paleozoico Ma PERIODO Ma EPOCA 0 0 Neogene Olocene 23 0,01 0,5 Paleogene 65,5 1 Pleistocene 100 Cretaceo 1,5 1,8 Pliocene 145,5 5,3 Giurassico ,6 Triassico Miocene Permiano Carbonifero 30 Oligocene 33,9 359,2 40 Devoniano 400 Eocene 416 Siluriano 443,7 50 Ordoviciano 488,3 55,8 500 Cambriano 60 Paleocene QUATERNARIO ,5 Giurassico Triassico Permiano Carbonifero Mesozoico Cretaceo 65,5 Ma 145,5 Ma 199,6 Ma 251 Ma 299 Ma Precambriano 1 Ga 359,2 Ma 416 Ma 443,7 Ma Devoniano Siluriano Paleocene Eocene Paleogene 55,8 Ma 33,9 Ma 23 Ma 542 Ma 488,3 Ma Cambriano Paleozoico Ordoviciano Evoluzione di cellule con nucleo 2 Ga Cenozoico Oligocene Miocene 5,3 Ma Neogene 1,8 Ma 0,01 milioni di anni fa 4,6 miliardi di anni fa (Ga) 4 Ga 3 Ga Le cellule fossili più antiche Pliocene Pleistocene Olocene ERA PERIODO EPOCA Le rocce più antiche finora datate sulla Terra Adattato da F. PRESS, R. SIEVER, J. GROTZINGER, T.H. JORDAN, Capire la Terra, Zanichelli, ologna 2006

3 Corso di Scienze del Cielo e della Terra Alfonso osellini La Terra dinamica e Storia geologica dell Italia Italo ovolenta editore

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5 Sommario 1 3 La Terra: uno sguardo introduttivo LE SCIENZE DELLA TERRA 1.1 Lo studio del nostro pianeta /3 1.2 Perché la Terra è «unica» /4 1.3 Le scienze della Terra e il tempo geologico /5 Documento Il lavoro dello scienziato /7 LA TERRA E LA SUA EVOLUZIONE PRIMORDIALE 1.4 La Terra primordiale /8 1.5 «Catastrofe del ferro» e differenziazione /9 1.6 Zonazione chimica della Terra / Atmosfera, idrosfera e crosta primitive / Il sistema Terra e le sue «sfere» /11 Documento L ipotesi di Gaia /12 LA TERRA: UNA MACCHINA TERMICA 1.9 Come funziona la «macchina» Terra: struttura interna e tettonica delle placche / La tettonica delle placche e la geologia dell Italia /17 Esercizi di fine capitolo /18 La Terra deformata: faglie, pieghe e altre strutture COMPORTAMENTO REOLOGICO DELLE ROCCE 3.1 Le deformazioni delle rocce / Giacitura delle rocce / Come si deformano le rocce /40 Per saperne di più Giacitura e stabilità dei versanti / Fattori che influenzano le deformazioni delle rocce /41 Per saperne di più Pressione litostatica / Deformazione delle rocce e tempo / Movimenti regionali della crosta terrestre /42 STRUTTURE DA DEFORMAZIONE NELLA CROSTA 3.7 Diaclasi e faglie / Pieghe / Falde di ricoprimento /51 Esercizi di fine capitolo / La Terra solida: atomi, elementi, minerali e rocce CRISTALLI, MINERALI E LORO PROPRIETÀ 2.1 Elementi e composti naturali / I minerali / La struttura cristallina dei minerali / Fattori che influenzano la struttura dei cristalli /24 Per saperne di più I raggi X: il mezzo diagnostico della mineralogia / Proprietà fisiche dei minerali / Polimorfismo / Isomorfismo /28 Documento Le pietre preziose: naturali e sintetiche /28 SISTEMATICA DEI MINERALI 2.8 Criteri di classificazione dei minerali / Classificazione dei silicati / Silicati mafici e felsici /29 Per saperne di più La struttura dei silicati / Minerali non silicati /31 INTRODUZIONE ALLO STUDIO DELLE ROCCE 2.12 Le rocce della crosta terrestre / Come riconoscere le rocce /33 Per saperne di più Rocce in sezione sottile / Il ciclo litogenetico /34 Esercizi di fine capitolo /35 I terremoti GENESI DEI TERREMOTI E PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE 4.1 Il terremoto / Comportamento elastico delle rocce / Ciclicità statistica dei fenomeni sismici /56 Documento La Faglia di San Andreas e il ig One / Onde sismiche / La misura delle vibrazioni sismiche / Determinazione dell epicentro di un terremoto / Dove avvengono i terremoti /61 Documento Il terremoto di Messina /62 LA FORZA DEI TERREMOTI 4.8 Energia dei terremoti / Intensità dei terremoti /64 Documento Giuseppe Mercalli /65 CONVIVERE CON IL TERREMOTO 4.10 Previsione e controllo dei terremoti / Prevenzione dei terremoti / La sismicità in Italia /67 Documento Proteggersi dai terremoti /68 Esercizi di fine capitolo /69 /III

6 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica 5 6 L interno della Terra COSTRUZIONE DI UN MODELLO DELL INTERNO TERRESTRE 5.1 La struttura stratificata della Terra /72 Per saperne di più Simulatori al laser / Crosta, mantello e nucleo / Litosfera, astenosfera e mesosfera /75 Documento Invasori dallo spazio / Il calore interno della Terra / Origine del calore interno / Gradiente geotermico / Il flusso di calore /78 LITOLOGIA DELL INTERNO DELLA TERRA 5.3 Il nucleo / La zona d ombra / Composizione del nucleo / Il mantello / Composizione del mantello /81 Per saperne di più Lo strato D / Correnti convettive nel mantello /82 Per saperne di più Trasmissione del calore / Tomografia sismica / La crosta /84 EQUILIRIO GRAVITAZIONALE DELLA CROSTA 5.6 Campo e anomalie della gravità terrestre / Il principio dell isostasia /87 Per saperne di più Isostasia e catene montuose /87 IL MAGNETISMO TERRESTRE 5.8 Il campo magnetico della Terra /89 Per saperne di più La dinamo a disco /90 Documento Le aurore polari /91 IL MAGNETISMO FOSSILE 5.9 Il paleomagnetismo / Le inversioni di polarità /93 Per saperne di più Le inversioni di polarità: un fenomeno globale / Stratigrafia magnetica /94 Esercizi di fine capitolo /95 Processo magmatico e rocce ignee PROCESSO MAGMATICO, GENESI ED EVOLUZIONE DEI MAGMI 6.1 Il processo magmatico / Il magma / Genesi dei magmi / Cristallizzazione magmatica e differenziazione /103 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE IGNEE 6.5 Le rocce ignee / Le serie magmatiche / Le rocce ignee nel sottosuolo /107 Documento Messaggi dal profondo: gli xenoliti / I plutoni / I corpi ipoabissali / I plutoni italiani /110 Esercizi di fine capitolo /112 I vulcani 7 MORFOLOGIA, ATTIVITÀ E CLASSIFICAZIONE DEI VULCANI 7.1 Definizione e relazioni geologiche / Il meccanismo eruttivo / Tipi di eruzione /117 I PRODOTTI DELL ATTIVITÀ VULCANICA 7.4 Attività eruttiva / Attività vulcanica esplosiva /121 Documento L esplosione del vulcano La Pelée / Attività vulcanica effusiva / Stili e forme dei prodotti e degli apparati vulcanici / Manifestazioni gassose /126 Documento L energia geotermica in Italia / Rischio vulcanico: previsione e prevenzione /128 Esercizi di fine capitolo /130 /IV

7 V OLUME Sommario 8 10 Processo metamorfico e rocce metamorfiche PETROLOGIA DEL METAMORFISMO 8.1 Processi metamorfici / Facies metamorfiche / Strutture delle rocce metamorfiche / Minerali indice /136 Documento Il marmo di Candoglia e il Duomo di Milano /137 TIPI DI METAMORFISMO 8.5 Classificazione geologica del metamorfismo / Metamorfismo regionale / Metamorfismo di contatto / Metamorfismo cataclastico /139 Esercizi di fine capitolo /140 9 Dalla deriva dei continenti all espansione dei fondi oceanici LA DERIVA DEI CONTINENTI E I SUOI PRECEDENTI STORICI 9.1 Catastrofismo e fissismo / Mobilismo e deriva dei continenti / Pangea /144 Documento Alfred Wegener /145 Documento L ipotesi di Wegener: detrattori e sostenitori / Prove a sostegno di Pangea / Argomenti geologici / Argomenti paleontologici / Argomenti paleoclimatici /147 MORFOLOGIA DEL FONDO OCEANICO 9.5 Le dorsali medio-oceaniche /149 Documento Le ricerche oceanografiche /149 Documento La vita nelle dorsali medio-oceaniche /152 ESPANSIONE DEL FONDO OCEANICO 9.6 Enunciazione dell ipotesi della espansione del fondo oceanico / La struttura della crosta oceanica e delle dorsali / Velocità di espansione del fondo oceanico / Il meccanismo dell espansione /154 PROVE E COROLLARI DELL ESPANSIONE OCEANICA 9.10 Le anomalie magnetiche dei fondi oceanici / Il flusso di calore / Età dei sedimenti oceanici / Rapporto età-profondità della crosta oceanica / Le faglie trasformi /159 Esercizi di fine capitolo /161 Tettonica delle placche e orogenesi LA TETTONICA DELLE PLACCHE 10.1 Concetti generali e storia / I margini delle placche / Il mosaico globale / Moto delle placche /168 Per saperne di più Il meccanismo che muove le placche /169 I MARGINI CONTINENTALI 10.5 I tre tipi di margine / Margini continentali passivi / Margini continentali trasformi / Margini continentali attivi / La fossa / La zona di subduzione / L intervallo arco-fossa / L arco magmatico / L area di retroarco /173 Per saperne di più Il prisma di accrezione: una catena embrionale di montagne /174 PUNTI CALDI E PENNACCHI 10.9 Punti caldi /175 Per saperne di più Punti caldi: un ipotesi alternativa /176 OFIOLITI E MÉLANGE Gli «oceani perduti»: le ofioliti / Mélange /179 COLLISIONI E OROGENI Tettonica delle placche e orogenesi / Modelli orogenetici / Orogenesi da collisione /181 Documento La formazione dell Himalaya / Orogenesi da attivazione / Orogenesi per accrescimento crostale /183 AREE MORFOSTRUTTURALI DEI CONTINENTI La struttura dei continenti / I cratoni / Gli orogeni / La formazione delle pianure antistanti le catene montuose /185 Esercizi di fine capitolo /186 /V

8 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica 11 Il tempo geologico e la sua registrazione nelle rocce DATAZIONI E CRONOLOGIA RELATIVA 11.1 Le datazioni / Cronologia relativa / Il principio dell attualismo /192 MISURA NUMERICA DEL TEMPO GEOLOGICO 11.4 Datazioni stagionali /194 Per saperne di più Datazioni con il metodo della dendrocronologia / Astrocronologia (cronologia orbitale) / Cronologia «magnetica» / Il metodo radiometrico e le datazioni «assolute» /196 Per saperne di più Il metodo delle tracce di fissione /197 Per saperne di più Il metodo del carbonio-14 /198 Esercizi di fine capitolo / La dinamica dei processi sedimentari e la stratigrafia fisica PROCESSI E MECCANISMI DI SEDIMENTAZIONE 13.1 Deposizione dei sedimenti / Meccanismi di trasporto /216 Per saperne di più Flysch e torbiditi /218 CICLICITÀ DELLA SEDIMENTAZIONE 13.3 Fluttuazioni eustatiche del livello marino / Trasgressioni e regressioni /219 FACIES E AMIENTI DI SEDIMENTAZIONE 13.5 La facies / Ambienti continentali / Ambienti di transizione / Ambienti marini /225 LA STRATIGRAFIA FISICA 13.9 Unità litostratigrafiche / Successioni continue e discontinue: discordanze stratigrafiche e lacune /229 Esercizi di fine capitolo / Rocce sedimentarie PROPRIETÀ GENERALI DELLE ROCCE SEDIMENTARIE 12.1 Un archivio di pietra / Le proprietà fondamentali delle rocce sedimentarie /202 LE ROCCE SEDIMENTARIE PIÙ COMUNI 12.3 Rocce terrigene / Rocce carbonatiche / Evaporiti / Rocce silicee e altri gruppi minori di rocce sedimentarie /209 Documento Il petrolio /210 Esercizi di fine capitolo /213 I fossili e la stratigrafia RESTI DI ORGANISMI DEL PASSATO 14.1 Rarità dei fossili / Processi di fossilizzazione /236 DISTRIUZIONE DEI FOSSILI NELLE SUCCESSIONI STRATIGRAFICHE 14.3 Fossili, biostratigrafia e cronostratigrafia /239 Documento olca: fossili come fotocopie / Fossili di facies e fossili guida /242 Esercizi di fine capitolo /243 /VI

9 V OLUME Sommario 15 Dall origine della vita alla comparsa dell uomo DALLA PRIMA CROSTA ALL ESPLOSIONE DELLA VITA 15.1 Il Precambriano / L origine della vita / L esperimento di Miller / Dall atmosfera riducente all atmosfera ossidante / I fossili più antichi /249 IL TEMPO DELLA VITA «MANIFESTA» 15.6 Il Fanerozoico / Eventi geologici del Paleozoico / Eventi biologici del Paleozoico /252 Documento Il Paleozoico in Italia / Eventi geologici del Mesozoico / Eventi biologici del Mesozoico /254 Documento Il Mesozoico in Italia /256 Documento Le estinzioni di massa / Eventi geologici del Cenozoico / Eventi biologici del Cenozoico /258 Documento Il Cenozoico in Italia /261 Esercizi di fine capitolo / La geologia regionale dell Italia: le Alpi e la Pianura Padana LE ALPI: LA GRANDE CATENA MONTUOSA EUROPEA 17.1 Una catena a doppia vergenza / La catena Europa-vergente: le Alpi vere e proprie /280 Documento Il Cervino / La catena Africa-vergente: le Alpi Meridionali /282 Documento Le Dolomiti /284 Documento I dinosauri dei Lavini di Marco / Il sollevamento della catena e la formazione del rilievo /285 LA PIANURA PADANA: UN «CATINO» RIEMPITO DI SEDIMENTI 17.5 Uno sguardo d insieme / I sedimenti recenti /287 Documento Le pianure italiane / Il sottosuolo profondo della Pianura Padana /289 Per saperne di più I profili sismici /289 Documento L area idrotermale dei Colli Euganei /290 Esercizi di fine capitolo / Geologia del Mediterraneo e dell Italia DALLA PANGEA ALLA NASCITA DELLE ALPI 16.1 La geografia dell area mediterranea 200 milioni di anni fa /265 Documento Le rocce triassiche italiane / L apertura dell Atlantico e la collisione Africa-Europa: nascono le Alpi /266 L ITALIA DURANTE IL CENOZOICO E LA NASCITA DEGLI APPENNINI 16.3 La geografia del Mediterraneo occidentale agli inizi dell Oligocene / La rotazione del blocco sardo-corso / L apertura del Tirreno e la messa in posto finale degli Appennini /270 Documento Il Tirreno: un oceano in formazione / L essiccamento del Mediterraneo /270 LA SITUAZIONE GEOLOGICA ATTUALE 16.7 La geodinamica in atto nella regione mediterranea /272 Documento Il vulcano di Santorini / Un colpo d occhio sulla geologia della penisola italiana /275 Documento Il futuro geologico dell Italia /276 Esercizi di fine capitolo / La geologia regionale dell Italia: gli Appennini e la Puglia GLI APPENNINI: LA SPINA DORSALE DELLA PENISOLA ITALIANA 18.1 La struttura generale della catena / L Appennino settentrionale /294 Documento La Pietra di ismantova / L Appennino centro-meridionale /296 Documento Le Alpi Apuane /297 Documento Il giacimento fossilifero di Pietraroja /297 Documento Il petrolio della Val d Agri /299 LA PUGLIA: «TERRA DI DINOSAURI» 18.4 Avanfossa e avampaese / La Piattaforma apula /300 Documento Pietra leccese e Pietra di Apricena / Il carsismo pugliese /301 Documento I dinosauri della Puglia /302 Esercizi di fine capitolo /303 /VII

10 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica 19 La geologia regionale dell Italia: Calabria, Sicilia, Sardegna L ARCO CALARO-PELORITANO: GRANITI E ROCCE EUROPEE 19.1 L arco calabro-peloritano: un terreno esotico /305 Per saperne di più Arco calabro-peloritano: crosta europea e crosta africana affiancate / La situazione geologica attuale /307 Per saperne di più I trubi: rocce che scandiscono il tempo /308 LA SICILIA: MARGINE SETTENTRIONALE DEL CONTINENTE AFRICANO 19.3 La catena magrebide siciliana / L avanfossa di Gela /310 Documento La Formazione gessoso-solfifera / L avampaese ibleo e il locco pelagio /311 LA SARDEGNA: UN FRAMMENTO DI PROVENZA E CATALOGNA 19.6 Un microcontinente / Il «basamento» paleozoico / I terreni post-paleozoici / Il vulcanismo sardo / Il Campidano /314 Documento Le miniere dell Iglesiente /315 Esercizi di fine capitolo / I vulcani italiani PROVINCE MAGMATICHE E AREE VULCANICHE ATTIVE 20.1 Le province magmatiche del territorio italiano /318 Documento L isola che visse cinque mesi /320 VULCANISMO ATTIVO E RECENTE IN ITALIA 20.2 Il Vesuvio e i Campi Flegrei / I vulcani delle Isole Eolie / L Etna / I vulcani del Canale di Sicilia / Il Monte Vulture /327 Esercizi di fine capitolo /326 Indice analitico /329 Il simbolo, che ricorre in alcuni paragrafi, rimanda ai capitoli relativi alla «Storia geologica dell Italia». Per non gravare sulla mole e i conseguenti costi, gli elementi di geodesia e cartografia sono scaricabili gratuitamente da Internet in formato pdf. /VIII

11 Corso di Scienze del Cielo e della Terra Alfonso osellini La Terra dinamica e Storia geologica dell Italia Sopra le pianure della Italia, dove oggi volan li uccelli a torme, solea discorrere i pesci a grande squadre. LEONARDO DA VINCI

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13 1 La Terra: uno sguardo introduttivo Iniziamo ora un viaggio affascinante, che ci porterà a conoscere più da vicino il nostro pianeta, la Terra, con le sue caratteristiche, i suoi fenomeni e i cambiamenti che in essa avvengono nel tempo. Affronteremo questo percorso iniziando con un breve cenno sulle discipline che hanno come oggetto di studio la Terra e con una discussione sul metodo scientifico. Successivamente saranno descritte le interpretazioni più generalmente accettate sul modo in cui la Terra si è formata, le interazioni tra i suoi componenti e il suo funzionamento come «macchina termica». LE SCIENZE DELLA TERRA 1.1 Lo studio del nostro pianeta Lo studio della componente non vivente del pianeta Terra dovrebbe essere lo scopo esclusivo della geologia (dal greco geo = terra e lògos = discorso, studio). In realtà, già a partire dal secolo scorso, la geologia ha assunto un ruolo e un significato sempre più specialistici: essa studia le rocce della crosta terrestre a noi direttamente accessibili, la loro origine e le loro vicissitudini attraverso le ere geologiche. Questa specificità è dovuta essenzialmente allo sviluppo delle conoscenze che ha portato alla specializzazione delle varie discipline scientifiche, le quali hanno assunto progressivamente una propria autonomia. Attualmente, per identificare il gruppo di discipline che hanno come oggetto di studio il sistema Terra nella sua completezza e complessità, si preferisce l uso del termine scienze della Terra o geoscienze. Così, oltre alla geologia vera e propria, suddivisa in varie specializzazioni (geologia strutturale, stratigrafia, sedimentologia, geologia marina, geodinamica, ecc.), fanno parte delle scienze della Terra molte altre discipline scientifiche, alcune strettamente collegate, quali paleontologia, mineralogia, petrologia, geochimica, vulcanologia e geofisica (sismologia, geodesia), geomorfologia, altre meno direttamente collegate alle scienze della Terra, che sono l oceanografia (fisica e chimica), l idrologia e le scienze dell atmosfera (meteorologia, climatologia) (figura 1.1). Nel secolo scorso la geologia ha conosciuto un grande sviluppo come scienza del territorio e delle Scienze dell atmosfera Scienze della Terra Meteorologia Climatologia Oceanografia Idrologia Paleontologia Mineralogia Petrologia Geochimica Vulcanologia Geofisica Geografia fisica Geomorfologia Geologia ambientale Geologia generale Geologia strutturale Stratigrafia Geologia storica Sedimentologia Geologia marina Geodinamica FIGURA 1.1 Le scienze della Terra comprendono molte discipline, le quali, assieme a molte altre scienze più o meno direttamente collegate, concorrono a definire le caratteristiche della componente non vivente del nostro pianeta. /3

14 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica Paul Crutzen, Premio Nobel per la chimica nel 1995 per gli studi sugli effetti dei CFC (clorofluorocarburi) nell atmosfera, ha suggerito di definire il periodo geologico attuale, a partire dall avvio della Rivoluzione industriale (1830), Antropocene, a dimostrazione del ruolo centrale che la specie umana ricopre nell enorme modificazione dei sistemi naturali. sue risorse, consentendone lo sfruttamento; negli ultimi decenni il problema del rischio ambientale è diventato predominante su quello dell esplorazione e delle risorse; è cresciuta la consapevolezza della complessità, dei cambiamenti globali, dell impatto antropico. In vari documenti e progetti internazionali si è auspicato il passaggio dalle scienze della Terra alla scienza integrata del sistema Terra: si è sentita cioè la necessità di ottenere una comprensione scientifica dell intero sistema Terra su scala globale, descrivendo come funzionano i suoi componenti, come si sono evoluti, come interagiscono e come ci si può aspettare che continuino a evolvere a varie scale temporali. Le scienze della natura nel loro complesso contribuiscono a maturare la capacità di prevedere i mutamenti che si verificheranno nei prossimi decenni, per cause sia naturali sia antropiche. Attualmente sta crescendo la consapevolezza che l ecosistema terrestre rischia pericolose alterazioni per cause antropiche. Le attività umane influenzano significativamente le funzioni del sistema Terra in molti modi; i cambiamenti prodotti dalle attività umane sono paragonabili, per estensione e impatto, ad alcune delle grandi forze della natura. La natura dei cambiamenti oggi in atto, la loro dimensione e la velocità dei mutamenti sono senza precedenti. Ciò rende necessaria la conoscenza delle interazioni tra la complessa dinamica del sistema Terra e l altrettanto complessa connessione tra uomo e ambiente. Oggi le indagini scientifiche e le strategie di salvaguardia dell ecosistema complessivo hanno lo scopo di rendere sostenibile lo sviluppo socioeconomico sul nostro pianeta. Il metodo d indagine dei programmi di ricerca è quello di osservare e comprendere processi e meccanismi naturali attraverso lo studio delle loro evoluzioni nel passato, la verifica attenta del presente e la proiezione nel futuro sulla base di una serie di situazioni iniziali legate all attività umana. Sull Himalaya la situazione dell inquinamento dovuto a particolato atmosferico (aerosol) è «normale» per buona parte dell anno, ma la situazione peggiora nella stagione premonsonica per l arrivo della cosiddetta Asian brown cloud, una nuvola composta da sabbie desertiche, ma anche dai residui della combustione dei materiali che le popolazioni più povere usano per cucinare e scaldarsi: legname, carbone, sterco essiccato di bovino. La valle del Khumbu convoglia masse d aria che trasportano particelle carboniose fini e ultrafini, dovute alle emissioni dei piccoli villaggi e agli inquinanti provenienti dal basso Nepal, dall India e dal Pakistan, fino ai ghiacciai dell Everest. Gli aerosol possono assorbire e riflettere la radiazione solare e, quindi, la deposizione di particolato sui ghiacciai himalayani può contribuire a ridurne lo strato. FIGURA 1.2 La prima immagine della «Terra piena» vista dallo spazio, ripresa dagli astronauti dell Apollo 17, il 7 dicembre Perché la Terra è «unica» Prima di iniziare lo studio della Terra vale la pena aprire la nostra prospettiva e chiederci quali sono le caratteristiche che rendono la Terra un corpo celeste così peculiare e quale posizione occupa nell ambito dell universo. La Terra si formò circa 4,6 miliardi di anni fa e da allora, assieme agli altri oggetti celesti che formano il sistema solare, ha continuato a ruotare attorno al Sole. Il Sole, a sua volta, trascina la Terra e gli altri componenti del sistema attorno al centro della nostra Galassia (cfr. volume A, Il cielo sopra di noi, figura 9.2), mentre la grande spirale galattica che contiene il sistema solare si muove silenziosamente nell universo. Sebbene i pianeti terrestri abbiano molti caratteri in comune, essi tuttavia differiscono notevolmente per quanto riguarda la composizione delle loro atmosfere, la morfologia e la costituzione della loro superficie e per la presenza o assenza di acqua e di forme di vita. Vista dallo spazio, la Terra presenta tonalità bianche e azzurre (figura 1.2) perché è circondata da un atmosfera gassosa, costituita principalmente da azoto, ossigeno, argon e vapore acqueo. Nessun altro pianeta del sistema solare ha una simile atmosfera. Soprattutto la presenza di acqua (nubi, neve, ghiacciai, oceani, laghi, fiumi, acque sotterranee) rende la Terra un pianeta diverso da tutti gli altri: quelli più lontani dal Sole sono troppo freddi per avere acqua liquida in superficie, quelli /4

15 C APITOLO 1 La Terra: uno sguardo introduttivo più vicini hanno temperature così elevate che l acqua, se mai c è stata, è evaporata miliardi di anni fa. Sulla Terra l acqua ha permesso lo sviluppo della vita a noi conosciuta e la formazione di una biosfera costituita da innumerevoli specie, sia animali sia vegetali. Infine, un altra speciale caratteristica della Terra è la natura della sua superficie. FIGURA 1.3 La valle incassata del fiume San Juan, nello Utah (USA), si è formata negli ultimi 5 6 milioni di anni. La Terra è in larga parte coperta da un sottile e irregolare strato di materiali incoerenti, sciolti (ciottoli, sabbie, fanghi), formatisi a causa della degradazione atmosferica; si tratta del prodotto dell alterazione chimica e della disgregazione meccanica delle rocce provocate dalla loro esposizione all atmosfera, all idrosfera e all azione degli organismi. Questo rivestimento è chiamato regolite (dal greco rhegos = lenzuolo e lithos = roccia). I suoli, i fanghi delle valli fluviali, delle pianure e dei mari, la sabbia dei deserti e tutti gli altri materiali incoerenti che si trovano sulla superficie terrestre fanno parte del regolite. Anche gli altri pianeti e i vari corpi planetari aventi superfici rocciose hanno un regolite, ma di tutt altra origine: in essi si è formato fondamentalmente a causa di innumerevoli impatti meteoritici. Il regolite terrestre, invece, si è formato da complesse interazioni di processi fisici, chimici e biologici, normalmente con l intervento dell acqua. In conclusione, che cos è che fa della Terra un corpo celeste così unico? Noi non conosciamo nessun altro pianeta dove la temperatura permetta all acqua di esistere sulla sua superficie allo stato solido, liquido e gassoso. Non conosciamo nessun altro corpo celeste che abbia avuto condizioni tali da permettere il nascere e l evolversi della vita come noi la intendiamo. Ci sono miliardi e miliardi di stelle nell universo, perciò ci sono, inevitabilmente, miliardi di pianeti e certamente molti di questi pianeti potrebbero essere simili alla Terra e quindi in grado di ospitare la vita. Tuttavia, se una civiltà relativamente progredita esiste da qualche parte nello spazio, a tutt oggi non abbiamo sentito o avvertito alcun segnale della sua presenza. Le misure temporali che siamo in grado di compiere direttamente abbracciano archi di tempo che vanno dalle frazioni di secondo a poche decine di anni. Alcuni fenomeni studiati dalle scienze della Terra, come i moti delle masse d aria e di acqua e le variazioni climatiche stagionali, si sviluppano in intervalli di tempo di questo stesso ordine di grandezza. Per molti altri eventi, invece, l ordine di grandezza temporale coinvolto è molte volte superiore al tempo della vita dell uomo. Uno spessore di poche decine di centimetri di fango che si deposita su un fondale marino può richiedere decine di migliaia di anni per formarsi. Una catena montuosa si innalza in milioni di anni (figura 1.4). Le trasformazioni della composizione dell aria che respiriamo sono avvenute in centinaia di milioni di anni. È proprio la vastità del tempo geologico che ci induce a ragionare in termini di centinaia di milioni o miliardi di anni, che ci è quasi impossibile FIGURA 1.4 Le rocce granitiche del massiccio del Monte ianco, vecchie di oltre 300 milioni di anni, sono state innalzate fino a queste quote per un lento sollevamento, di pochi millimetri all anno, protrattosi per alcune decine di milioni d anni. (Willi urkhardt, 1998) 1.3 Le scienze della Terra e il tempo geologico Molti fenomeni naturali diventano comprensibili solo se si tiene conto del fattore tempo. Quando osserviamo un fiume scorrere sul fondo di una valle, possiamo comprendere che cosa ha originato quello stupendo spettacolo naturale solo se teniamo conto del fattore tempo (figura 1.3). Il fiume non ha occupato una valle già presente, bella pronta, ma l ha scavata con un lento processo che si è protratto per centinaia di migliaia o per milioni di anni. /5

16 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica FIGURA 1.5 Meteor Crater, Arizona (USA). Circa anni fa l impatto esplosivo di una grande meteorite, del peso probabile di tonnellate, creò in pochi secondi questo cratere del diametro di 1,2 kilometri. Milioni di anni EONE ERA PERIODO FANEROZOICO CENOZOICO MESOZOICO PALEOZOICO Neogene 23 Paleogene 65,5 Cretaceo 145,5 Giurassico 199,6 Triassico 251 Permiano 299 Carbonifero 359,2 Devoniano 416 Siluriano 443,7 Ordoviciano 488,3 Cambriano QUATERNARIO EPOCA Olocene 0,01 Pleistocene 1,8 Pliocene 5,3 Miocene 23 Oligocene 36,6 Eocene 55,8 Paleocene Milioni di anni 0 0,5 1 1, concepire. Ma è proprio questa vastità che ci permette di capire in modo corretto come si verificano gli eventi geologici. L erosione di una valle fluviale, il sorgere delle catene montuose, o la nascita dei bacini oceanici e la deriva dei continenti, non sono il risultato di eventi catastrofici, come spesso si legge su giornali e riviste, ma di movimenti lentissimi, impercettibili, basti pensare che lo spostamento di 1 mm all anno implica uno spostamento di 1 km in un milione di anni. Certamente esistono anche eventi geologici improvvisi e catastrofici, di brevissima durata geologica. Citiamo ad esempio terremoti, eruzioni vulcaniche, tsunami, l impatto di una grande meteorite (figura 1.5), ma questi fenomeni, pur nella loro drammaticità, non cambiano l assetto della superficie terrestre. È soltanto il loro lungo protrarsi (per milioni di anni) che può eventualmente incidere sulla struttura e sulla morfologia terrestre. Il tempo è misurato da eventi e, come noi dividiamo il tempo in secoli, anni, stagioni, mesi e giorni i geologi hanno stabilito di dividere il tempo geologico in eoni, ere, periodi, epoche, ecc. (tabella 1.1). Si tratta di unità cronologiche di diverso rango che assieme costituiscono la scala dei tempi geologici o geocronologica; a tale scala, continua per tutta la storia della Terra e a valore universale, è possibile riportare, con vari metodi di correlazione, tutti gli e- venti geologici (processi sedimentari, eruzioni, spostamento di continenti, inversioni magnetiche, formazione delle catene montuose, fenomeni climatici, evoluzione degli organismi, ecc.) (figura 1.6). La geocronologia è la misura del tempo geologico in durata di anni riferita a un intervallo di tempo, alla datazione di un evento o all età di una roccia. Unità geocronologiche EONE ERA PERIODO EPOCA ETÀ Durata (milioni di anni) ,01 TAELLA 1.1 Il tempo geologico viene suddiviso in unità geocronologiche che corrispondono a intervalli di tempo di durata via via maggiore , PROTEROZOICO ARCHEANO ADEANO /6 FIGURA 1.6 La scala dei tempi geologici, secondo la più recente versione (2008) adottata dalla Commissione Internazionale di Stratigrafia. Il Quaternario, da sempre considerato un era, seppure di brevissima durata, è stato «declassato» allo status di unità informale nell ambito del periodo Neogene. I numeri indicano le età in milioni di anni, i colori sono quelli proposti dalla Commissione delle Carte Geologiche Mondiali.

17 C APITOLO 1 La Terra: uno sguardo introduttivo DOCUMENTO 1.1 Il lavoro dello scienziato Il fine ultimo di tutte le scienze è spiegare come funziona l universo. Il metodo scientifico sperimentale, sul quale tutti gli scienziati fanno affidamento, consiste in un piano generale di ricerca basato su osservazioni ed esperimenti metodici (schema a lato). Gli scienziati ritengono che gli eventi fisici abbiano una spiegazione fisica, anche se essa può andare al di là della loro attuale capacità di comprensione. Quando uno scienziato propone un ipotesi, cioè un tentativo di spiegare un insieme di dati, raccolti in base a osservazioni ed esperimenti, la presenta alla comunità scientifica affinché sia verificata ripetutamente e confrontata con nuovi dati sperimentali. Un ipotesi si rafforza se viene confermata da altri scienziati, specialmente se riesce a prevedere con successo i risultati di nuovi, successivi esperimenti. Un ipotesi che sia sopravvissuta a ripetute verifiche e abbia ricevuto sostegno da osservazioni ed esperimenti viene elevata al rango di teoria. Una teoria non si può mai considerare definitivamente provata, neanche quando sia stata dimostrata la sua capacità di spiegare un fenomeno e di predire i risultati futuri. L essenza della scienza risiede nel fatto che tutte le spiegazioni, per quanto credibili e attraenti, possono essere rimesse in discussione: se nuovi dati sperimentali indicano che una teoria è sbagliata, questa può essere modificata o rifiutata; tuttavia, più a lungo essa sopravvive a tutte le nuove osservazioni e verifiche, maggiore è la fiducia che si ripone in essa. Un modello scientifico è una rappresentazione di alcuni aspetti della natura basata su un insieme di ipotesi (che in genere comprendono alcune teorie ampiamente accettate). Il confronto tra ciò che il modello prevede e le osservazioni dirette è un potente strumento per verificare se le ipotesi, implicite nel modello, sono tra loro coerenti. Oggigiorno i modelli vengono spesso formulati mediante programmi computerizzati, che cercano di simulare il comportamento dei sistemi naturali attraverso calcoli numerici. Le simulazioni al computer consentono di comprendere aspetti del comportamento a lungo termine dei sistemi esaminati, che né le osservazioni di campagna né gli esperimenti riuscirebbero, da soli, a spiegare. Per incoraggiare la discussione, gli scienziati condividono le idee e i dati sui quali esse si basano, presentando i risultati delle loro ricerche nei congressi scientifici, pubblicandoli su riviste specializzate e discutendone informalmente con i colleghi: in questo modo apprendono sia dal lavoro degli altri sia dalle scoperte del passato. La maggior parte dei grandi concetti della scienza, sia che nasca come intuizioni o risulti da un analisi meticolosa, è il frutto di un indicibile numero di queste interazioni. Diceva Albert Einstein: «Nella scienza il lavoro del singolo è così strettamente legato a quello dei predecessori e dei contemporanei che si può quasi considerare come il prodotto impersonale di una intera generazione». Questo libero scambio intellettuale, però, può essere soggetto ad abusi. Per questo motivo nel mondo scientifico è nato un codice etico: gli scienziati, nei loro lavori, devono sempre menzionare il contributo di tutti gli altri, non devono inventare o falsificare i dati, non devono attingere ai lavori di altri senza averne titolo. Inoltre, essi devono assumersi la responsabilità dell istruzione della futura generazione di ricercatori e di insegnanti. Importanti quanto questi principi sono anche i valori fondamentali della scienza. ruce Albert, presidente della National Accademy of Science, ha riassunto molto appropriatamente tali valori in «onestà, generosità, rispetto per le prove e apertura verso ogni idea e opinione». (Adattato da F. PRESS, R. SIEVER, J. GROTZIN- GER, T.H. JORDAN, Capire la Terra, Zanichelli, ologna 2006) Osservazioni ed esperimenti forniscono i dati per formulare un ipotesi. Ripetute sfide all ipotesi da parte di altri scienziati possono fornire conferme o indurre a respingerla. L ipotesi può essere riveduta e sottoposta a nuova verifica. Una o più ipotesi possono raccogliere abbastanza consensi da diventare una teoria. Anche le teorie vengono «sfidate», confermate, rivedute, respinte e un insieme di ipotesi e di teorie diventa un modello scientifico. Anche i modelli scientifici sono sottoposti a sfida. Sfide Sfide Sfide Il processo scientifico è una serie continua di scoperte e condivisione di prove al fine di confermare, respingere o rivedere ipotesi, teorie e modelli. OSSERVAZIONI ed ESPERIMENTI IPOTESI Confermate? Sì TEORIE Confermate? Sì MODELLO SCIENTIFICO Altre ipotesi No Altre teorie No Riveduta o Respinta Riveduta o Respinta 1 Quali sono le discipline scientifiche che fanno parte delle scienze della Terra? 2 Che cosa s intende per scienza integrata del sistema Terra? 3 Di che cosa si occupa la disciplina chiamata geologia? 4 A quale scopo lo scienziato Paul Crutzen ha coniato il termine Antropocene? 5 Come dividono il tempo i geologi? 6 Perché non esiste un unico modo per misurare il tempo? 7 Da che cosa dipendono le tonalità bianche e azzurre della Terra vista dallo spazio? 8 Che cosa si indica con il termine regolite? 9 Attualmente in quale modo e con quale tecnologia vengono formulati i modelli scientifici? AE Mettiamoci alla prova /7

18 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica LA TERRA E LA SUA EVOLUZIONE PRIMORDIALE I riferimenti ad argomenti di astronomia sono qui trattati per introdurre a una visione geologica del pianeta Terra. La trattazione rigorosamente astronomica è ampiamente svolta nella parte del corso che si intitola Il cielo sopra di noi. FIGURA 1.7 Circa 4,5 miliardi di anni fa, un corpo delle dimensioni di Marte entrò in collisione con la Terra. Il gigantesco urto scagliò nello spazio uno sciame di frammenti sia della Terra sia del corpo impattante. Dall aggregazione di gran parte dei frammenti si formò la Luna. Le rocce lunari risalenti a 4,47 miliardi di anni fa, portate sulla Terra dagli astronauti delle missioni Apollo, confermano l ipotesi dell impatto. /8 1.4 La Terra primordiale Circa 4,6 miliardi di anni fa, una massa rotante di polveri e gas, presente nello spazio interstellare della nostra galassia, iniziò a contrarsi e a raffreddarsi; la massa centrale originò il Protosole, mentre frammenti e anelli di polvere e gas, staccatisi e agglomeratisi tra loro, portarono alla formazione di pianeti, tra i quali la Terra. Anche se i dati che si hanno a disposizione non sono ancora sufficienti per tracciare un quadro evolutivo sicuro e completo, gli scienziati tentano comunque di ricostruire la genesi e l evoluzione primordiale della Terra. Vi sono alcuni punti fermi, ma vi sono anche troppi fattori casuali, troppe variabili; ciò crea grosse difficoltà nel costruire una teoria generale per l origine del sistema solare. Per esempio, non si conoscono le dimensioni della nuvola solare iniziale, la sua evoluzione, le varie collisioni casuali che hanno accresciuto il volume dei pianeti, impresso la loro rotazione, staccandone talvolta grossi frammenti, come è il caso della Luna. Le rocce più antiche della Terra hanno 3,8 4,2 miliardi di anni e sono state ritrovate in diverse zone, quali la Groenlandia, il Labrador, lo Zimbabwe e il Minnesota. L età del sistema solare, così come ci viene proposta dalle datazioni radiometriche (vedi 11.7) su meteoriti e rocce lunari, è di milioni di anni. La datazione più antica fatta finora su meteoriti è di 4.559±4 milioni di anni, ed è solo un quarto dell età dell universo visibile. Ma che cosa è successo in quei milioni di anni che precedono la formazione delle prime rocce terrestri? La Terra si formò per agglomerazione disordinata di vari oggetti che colpivano la sua superficie. In un recente convegno sull origine della Luna, vi è stato un consenso generale, da parte degli scienziati presenti, sul fatto che il nostro satellite sia «nato» da un impatto gigantesco: la Terra sarebbe stata colpita da un corpo un po più grande di Marte, la cui parte più esterna fu sbalzata nello spazio e cominciò a orbitare attorno alla Terra, diventando la Luna, mentre il nucleo si conficcava nel corpo terrestre (figura 1.7). Una pioggia ininterrotta di planetesimali continuò a colpire i vari corpi celesti fino a milioni di anni fa, producendo le ben conosciute superfici butterate della Luna, di Mercurio, di Marte, fino ai satelliti più lontani di Urano, distruggendo qualsiasi traccia di crosta primitiva sulla Terra. L intensità e l estensione di questo bombardamento di planetesimali sulla Luna, dopo che essa aveva raggiunto le sue attuali dimensioni e che si era formata la sua crosta, sono evidenziate dalla presenza di almeno 80 crateri con diametri maggiori di 300 km e di crateri con diametri tra 30 e 300 km. Tutte queste strutture da impatto si formarono prima che la fase di bombardamento cessasse, cioè prima di milioni di anni fa. Poiché un simile e forse più intenso bombardamento si verificò anche sulla Terra, si può comprendere la ragione per cui sul nostro pianeta non si conoscono rocce con più di milioni di anni: ogni eventuale roccia primitiva fu distrutta e fusa dai tremendi impatti. Stime comunemente accettate indicano in circa 200 i crateri con diametri maggiori di km formatisi sulla Terra per impatto di corpi con diametri di qualche centinaio di kilometri. Questo bombardamento si verificò tra e milioni di anni fa, durante l accrescimento della Terra. In contrasto a quanto possiamo vedere sulla Luna, sulla Terra le tracce di questi impatti sono state distrutte e cancellate da milioni di anni di eruzioni vulcaniche e formazione di montagne, oppure nascoste dalle acque oceaniche e dalle estese coperture sedimentarie (sabbie e fanghi) sia terrestri sia marine. La Terra, che a causa dei numerosissimi impatti si andava via via ingrossando, cominciò subito a surriscaldarsi a causa di tre differenti fenomeni. 1 A ogni impatto dei planetesimali sulla superficie terrestre, la loro energia cinetica si trasformava in energia termica; questa in parte veniva dissipata nello spazio, ma in parte veniva trattenuta. In alcuni casi poi i planetesimali si accumulavano con tale frequenza che le regioni sottoposte agli impatti, surriscaldate, venivano rapidamente sepolte, sicché il calore poteva essere completamente ritenuto.

19 C APITOLO 1 La Terra: uno sguardo introduttivo 2 L aumento della pressione a cui erano soggette le parti interne del pianeta, a causa dell enorme peso dei materiali che si andavano via via accumulando nelle parti esterne, provocava un considerevole incremento di calore. E, data la scarsa conduttività delle rocce, la dispersione verso l esterno di tale calore era quanto mai difficile. 3 La radioattività di elementi quali uranio, torio, ecc., la cui abbondanza era circa quindici volte maggiore rispetto a oggi, faceva sì che le particelle atomiche emesse da tali elementi venissero assorbite dai materiali circostanti e la loro energia cinetica trasformata in calore. La quantità non era molto elevata (usando il calore radioattivo sprigionatosi da 1 cm 3 di granito occorrerebbero 500 milioni di anni per far bollire una tazza di caffè), ma questa sorgente di calore è persistita per miliardi di anni e, come detto sopra, la dispersione di tale calore è lentissima. In conclusione, accrescimento per impatti, compressione gravitativa e disintegrazione di elementi radioattivi sono i tre processi che avrebbero prodotto l iniziale surriscaldamento interno della Terra. Si è calcolato che accrescimento e compressione, da soli, possono aver portato la temperatura interna del nuovo pianeta a C. 1.5 «Catastrofe del ferro» e differenziazione Astrofisici e geofisici hanno proposto differenti modelli su come sia variata la temperatura interna della Terra dopo la sua nascita. Ma tutti sono giunti alla stessa importante conclusione (figura 1.8): a causa della disintegrazione radioattiva, la temperatura interna iniziale andò continuamente aumentando. Dopo un periodo stimato tra 300 milioni e un miliardo di anni dalla agglomerazione iniziale della Terra sarebbe stata raggiunta la temperatura di fusione del ferro, a una profondità di kilometri. La formazione di un nucleo liquido fu un evento fondamentale nell evoluzione terrestre: si liberarono altre enormi quantità di energia gravitazionale che a loro volta si convertirono in calore. Si verificò un ulteriore aumento termico di circa C e si giunse così alla fusione di larga parte del pianeta. Quando, circa quattro miliardi di anni fa, cominciò a fondere il ferro, la Terra subì quindi una profonda riorganizzazione interna che da un originario corpo omogeneo la trasformò in uno stratificato. Infatti, trovandosi una gran parte del pianeta allo stato fuso, si innescò una sorta di differenziazione gravitativa: mentre un terzo della primordiale massa della Terra si addensava al centro a costituire un nucleo a base di ferro, i materiali più leggeri migravano verso l esterno, raffreddandosi e formando la crosta primitiva. La parte restante, situata tra il nucleo e la crosta e avente caratteri fisico-chimici intermedi, è denominata mantello (figura 1.9). Temperatura ( C) Il ferro comincia a fondere a questa profondità Temperatura della Terra all inizio della formazione Curva del punto di fusione del ferro Temperatura della Terra durante fasi successive Profondità (km) FIGURA 1.8 Variazioni della temperatura interna della Terra successivamente alla formazione. La curva inferiore indica lo stato termico iniziale (a 0 anni) raggiunto per accrescimento e compressione. Le curve centrali riportano l andamento della temperatura con la profondità in momenti successivi. La curva in alto indica la temperatura di fusione del ferro. La temperatura necessaria a innescare la fusione del ferro fu raggiunta inizialmente a profondità comprese tra 400 e 800 kilometri. Una volta iniziata la fusione, il ferro, a causa della sua elevata densità, cominciò a sprofondare verso il centro della Terra sotto forma di grandi «gocce», spostando i materiali più leggeri che vi si trovavano. È questa la cosiddetta «catastrofe del ferro». FIGURA 1.9 La differenziazione avvenuta nella Terra primordiale ha prodotto un pianeta costituito da vari livelli, o strati, concentrici: un grosso e denso nucleo di ferro, una sottile crosta di rocce relativamente leggere, separati da uno spesso strato intermedio, il cosiddetto mantello. /9

20 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica 1.6 Zonazione chimica della Terra Circa il 90% della Terra è costituito da quattro elementi: ferro, ossigeno, silicio e magnesio. Ma poiché il ferro si condensò al centro per differenziazione gravitativa, nella crosta questo elemento risulta piuttosto carente. Al contrario, silicio, alluminio, calcio, potassio e sodio si spostarono verso l esterno, aumentando considerevolmente la loro concentrazione nella crosta (figura 1.10). Va tuttavia osservato che la differenziazione gravitativa dei vari elementi non fu governata dal loro peso specifico. La maggior parte di essi formò infatti dei composti minerali, e furono le proprietà fisiche e chimiche (punto di fusione, densità, affinità chimica) di questi composti a determinare la loro distribuzione verticale. Ad esempio, i feldspati, i minerali più comuni nelle crosta terrestre, iniziano a fondere a temperature di C e una volta fusi sono relativamente leggeri. Minerali di questo tipo, fondendo prima degli altri, poterono dunque migrare verso la superficie e accumularsi nella crosta. Nel mantello, situato tra crosta e nucleo, vennero invece immagazzinati i silicati di ferro e magnesio (olivina e pirosseni) che fondono a temperature più elevate e sono più pesanti dei feldspati. Finirono probabilmente nel nucleo elementi pesanti quali oro e platino, che hanno poca affinità con ossigeno e silicio. Altri elementi pure pesanti, quali uranio e torio, i quali hanno però forte tendenza a formare ossidi e silicati, che sono leggeri, si accumularono invece in quantità rilevante nella crosta. Una conseguenza molto importante della zonazione chimica della Terra è che, essendosi concentrati nel guscio esterno i più importanti minerali radioattivi, l aumento della temperatura interna diminuì considerevolmente poiché il calore radioattivo poteva essere facilmente dissipato nell atmosfera. Inoltre, quando l interno della Terra divenne così caldo da fondere, un nuovo e più efficiente meccanismo si incaricò di trasferire il calore verso la superficie: la convezione (vedi 1.9). Il calore fu così dissipato più facilmente e la Terra poté raffreddarsi in tempi relativamente brevi. 1.7 Atmosfera, idrosfera e crosta primitive Come e quando cominciò a formarsi l atmosfera è una questione di non facile soluzione. Le grandi collisioni verificatesi verso la fine dell aggregazione rimossero certamente qualsiasi traccia di un eventuale atmosfera primordiale. Dai dati geochimici si deduce che gli elementi volatili primitivi si originarono per degassamento delle rocce del mantello, nei primi 500 milioni di anni dopo la fine dell accrescimento terrestre, cioè tra e milioni di anni fa (figura 1.11). Secondo gli scienziati, infatti, i planetesimali che si aggregarono per formare la Terra contenevano ghiaccio, acqua e sostanze volatili; quando i materiali costituenti il nostro pianeta fusero parzialmente, il vapore acqueo e i composti volatili si separarono dal fuso e migrarono verso l esterno. Le continue eruzioni vulcaniche liberarono grandi quantità di gas, principalmente idrogeno, vapore acqueo, azoto e diossido di carbonio. L idrogeno, molto leggero, sfuggì nello spazio, mentre i gas più pesanti avvolsero la Terra. Quando la temperatura superficiale scese sotto il punto critico dell acqua, il vapore acqueo iniziò a condensare e a riempire, gradualmente, le parti depresse della superficie terrestre originando i primi oceani. Alcuni geologi ritengono che l atmosfera e l idrosfera primitive si siano accresciute anche grazie all apporto di acqua e volatili da parte della pioggia di comete che investì la Terra all inizio della sua evoluzione. Il contributo di tali fenomeni al processo di formazione dell atmosfera e dell idrosfera è oggetto di dibattito. Relativamente più semplice appare la formulazione di ipotesi riguardanti l origine della primitiva crosta terrestre. Vari studi hanno dimostrato che essa si è venuta formando gradualmente nei tempi geologici. Come già detto, non sono state trovate rocce più vecchie di milioni di anni fa; pare che una larga parte si sia formata milioni di anni fa, mediante ripetute emissioni di lava, a cui seguivano rifusioni parziali delle rocce appena consolidate. Così, mentre da FIGURA 1.10 Abbondanza relativa (in peso percentuale) degli elementi nell intera Terra a confronto con quella degli elementi della crosta terrestre. La differenziazione ha originato una crosta leggera, impoverita in ferro e arricchita in ossigeno, silicio, alluminio, calcio, potassio e sodio. Circa il 90% della Terra è formato da quattro soli elementi: ferro, ossigeno, silicio e magnesio. Si noti, inoltre, che l ossigeno, il silicio e l alluminio rappresentano, da soli, l 80% della crosta. /10

21 C APITOLO 1 La Terra: uno sguardo introduttivo una parte si aveva la separazione di una crosta esterna più leggera da una interna più pesante, iniziava il processo di degradazione della primordiale superficie terrestre a opera degli agenti atmosferici (vento, pioggia, insolazione, gelo) e si formava il primitivo regolite. E i primi sedimenti, permeati da gas vulcanici, riassorbiti e riciclati all interno della Terra a opera di processi vulcanici e spinte interne, contribuivano alla formazione dei primi nuclei dei blocchi continentali. 1.8 Il sistema Terra e le sue «sfere» L insieme delle diverse parti del nostro pianeta e delle loro reciproche interazioni costituisce il sistema Terra. Per le particolari condizioni che caratterizzano la Terra, alcuni dei materiali di cui è costituita si trovano allo stato solido, altri allo stato liquido e altri allo stato aeriforme. Questi materiali possono essere suddivisi in base alla loro densità in «sfere». La componente liquida della Terra è detta idrosfera e comprende le acque dei mari e quelle continentali (fiumi, laghi e ghiacciai). La componente gassosa è chiamata atmosfera ed è costituita dall aria, che avvolge tutto il pianeta. La componente solida superficiale è detta litosfera ed è costituita dalle rocce. La Terra solida non è tuttavia un corpo omogeneo: è infatti ormai noto da tempo che essa è zonata concentricamente e la litosfera rappresenta solo la sua parte più esterna. Vi sono però due differenti criteri di suddivisione della Terra solida. Il primo, basato sulla composizione chimica e mineralogica, distingue una sottile crosta di tipo continentale più leggera e una di tipo oceanico più pesante (vedi 1.9), di spessore variabile, quindi un mantello roccioso a base di silicati (vedi 2.9) che si spinge fino ad una profondità di km e infine un nucleo metallico a base di ferro (cfr. 1.5) (figura 1.12 A). Il secondo, basato sullo stato fisico dei materiali, individua, appunto, una litosfera rigida ed elastica, un astenosfera parzialmente fusa, una mesosfera solida e infine un nucleo distinto in esterno e interno (figura 1.12 ). I materiali che costituiscono le «sfere» interagiscono tra loro attivamente. Gli scambi e le interazioni tra idrosfera, atmosfera e litosfera avvengono in corrispondenza della superficie terrestre, una fascia spessa alcuni kilometri, che comprende tutta l idrosfera, la parte inferiore dell atmosfera e una sottile pellicola della litosfera. Questa fascia è una zona assai dinamica, dove le acque e i venti modellano e rinnovano continuamente la superficie terrestre e a loro volta sono influenzati dalle nuove forme che la superficie assume. Ma vi è un ultimo elemento che caratterizza questa fascia e ne accentua ulteriormente il dinamismo: si tratta degli esseri viventi, i quali sono ospitati proprio nella zona di transizione. Alla componente biologica e all ambiente con cui essa interagisce viene dato il nome di biosfera. I sistemi viventi si trovano ovunque, nel terreno, nell acqua e nell aria. La biosfera non è perciò un sistema separato dalle altre «sfere», ma le compenetra e si sovrappone a esse per certe parti. Per questo motivo i viventi interagiscono con le componenti non viventi del nostro pianeta e influenzano molti fenomeni che vi si verificano. Il sistema Terra è, perciò, caratterizzato da complesse relazioni tra le diverse «sfere» che avvengono con scambi di materia e di energia; questi processi sono attivati e sostenuti dal calore interno della Terra e dall energia solare che arriva alla sua superficie. L energia interna favorisce i processi endogeni (movimenti nel mantello, nel nucleo, fusione delle rocce, formazione di catene montuose, ecc.), mentre il calore del Sole favorisce i processi esogeni (movimenti di fluidi, passaggi di stato, tempo atmosferico, clima, modellamento superficiale, ecc.). A Crosta Mantello Nucleo Litosfera Mesosfera Nucleo Astenosfera I termini litosfera, idrosfera e atmosfera derivano dal greco: litosignifica pietra, roccia; idro- significa acqua, atmo- significa soffio, vapore. Anche il termine biosfera deriva dal greco: biosignifica vita. La biosfera è, dunque, la sfera della vita. FIGURA 1.11 Nei primi stadi della sua esistenza il nostro pianeta si presentava in buona parte allo stato fluido. I magmi, in via di lento raffreddamento, liberarono grandi quantità di sostanze gassose che formarono la primitiva atmosfera terrestre. FIGURA 1.12 (A), struttura interna della Terra secondo il criterio chimico-mineralogico. Si distinguono la crosta, di spessore variabile (continentale od oceanica), quindi il mantello, che si spinge fino a una profondità di km, e infine il nucleo esterno e quello interno. (), suddivisione degli involucri della Terra basata sullo stato fisico dei materiali. Si distinguono una litosfera rigida ed elastica, un astenosfera in parte fusa, una mesosfera solida e poi il nucleo. /11

22 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica La Terra va considerata come un sistema unico in quanto le varie componenti interagiscono profondamente tra loro: qualsiasi mutamento intervenuto in una sua parte determina effetti e ripercussioni sulle altre. Risulta, tuttavia, particolarmente difficoltoso analizzarne tutti gli aspetti contemporaneamente; conviene, quindi, suddividere il sistema Terra in sottosistemi (geosistemi) per poi esaminare come essi funzionano e interagiscono tra loro. Le interazioni tra le diverse componenti sono inquadrabili in tre geosistemi che operano su scala globale e di cui si parlerà nei capitoli successivi: il sistema della tettonica delle placche, il sistema geodinamo e il sistema clima. Con l ausilio della figura 1.13 anticipiamo i tre geosistemi. Tutte le componenti del sistema Terrra possono essere distinte in due gruppi: quelle attivate dall energia solare e quelle attivate dal calore interno della Terra (tabella 1.2). Atmosfera Idrosfera 1 Il sistema clima implica ampi scambi di massa (ad esempio, acqua) e di energia (ad esempio, calore) tra l atmosfera e l idrosfera 2 ma anche con la litosfera (ad esempio, i gas delle eruzioni vulcaniche e i prodotti dell erosione). FIGURA 1.13 I principali geosistemi e le loro componenti. Le interazioni tra le diverse componenti sono attivate dall energia solare e da quella proveniente dall interno del nostro pianeta; queste interazioni sono inquadrabili in tre geosistemi globali: il sistema clima, il sistema della tettonica delle placche e il sistema geodinamo. In questa figura e nella spiegazione svolta nel testo è proposta una sintesi dei grandi temi che verranno trattati in seguito. Mantello Nucleo esterno Nucleo interno Litosfera Astenosfera 6 Atmosfera Idrosfera Litosfera Astenosfera Mantello Nucleo esterno Nucleo interno iosfera Il nucleo esterno e il nucleo interno interagiscono nel sistema geodinamo che è responsabile dell esistenza del campo magnetico terrestre. SISTEMA CLIMA SISTEMA DELLA TETTONICA DELLE PLACCHE SISTEMA GEODINAMO L insieme degli organismi viventi, la biosfera, occupa parti dell atmosfera, dell idrosfera e della litosfera. La litosfera si muove sull astenosfera, una parte del mantello parzialmente fusa, ma localmente sprofonda ed è trascinata nell astenosfera da dove raggiunge il mantello profondo e torna a salire con un nuovo ciclo convettivo. DOCUMENTO 1.2 L ipotesi di Gaia Alla fine degli anni 70 del secolo scorso il chimico inglese James Lovelock e la biologa americana Lynn Margulis formularono l ipotesi di Gaia (dal nome greco della dea della Terra). Questa teoria descrive la Terra come un unico superorganismo in grado di autoregolarsi e di mantenere le proprie condizioni chimico-fisiche (temperatura media, percentuale di gas, acidità) idonee allo sviluppo della vita, proprio grazie all attività dei viventi stessi. Si tratta di un sistema di autoregolazione del tutto simile a quello tipico degli organismi e noto in biologia con il temine di omeostasi. L omeostasi è la capacità di un organismo vivente di mantenere costanti le proprie caratteristiche chimico-fisiche interne, anche al variare delle condizioni esterne, attraverso meccanismi di autoregolazione che coinvolgono gli organi e gli apparati del corpo. In quest ottica, anche la Terra può essere intesa come un grande organismo «vivo» in cui i geosistemi e le sue componenti svolgono le funzioni degli apparati e degli organi dei sistemi viventi. Non esiste intenzionalità nei sistemi di autoregolazione della Terra, ma il tutto funziona attraverso cicli di retroazione (feedback), così come il mantenimento della temperatura all interno di un ambiente domestico è garantito dall azione di retroazione, non intenzionale, del termostato. Secondo questa concezione, i viventi e la componente inanimata della Terra (idrosfera, atmosfera, clima e litosfera) costituiscono un unico sistema integrato nel quale i cicli di retroazione stabilizzano le condizioni chimico-fisiche in modo tale da renderlo un luogo ospitale per la vita stessa. L ipotesi di Gaia ammette come normale il fatto che i viventi, oltre ad essere influenzati dall ambiente in cui vivono, lo modifichino attivamente. I geosistemi e gli ecosistemi sono parzialmente indipendenti ma non sono in grado di esistere se non come parte del sistema Terra. Un ruolo fondamentale per la sopravvivenza dell intero sistema è attribuibile al lavoro chimico svolto dai batteri. Per gran parte della storia della Terra (miliardi di anni) i batteri sono stati gli unici viventi regolatori delle caratteristiche chimico-fisiche del pianeta e ancora oggi è sulla loro attività che poggiano le basi di tutti gli ecosistemi. Secondo l ipotesi di Gaia, le forme del rilievo terrestre non sarebbero quindi solamente il risulta- to di processi fisici endogeni ed esogeni, ma anche di azioni biologiche. Dal momento della sua origine, la crosta solida è incessantemente rimodellata dall azione degli agenti meteorici che si compie attraverso l erosione, la sedimentazione e la formazione di suoli; questa azione è condizionata dagli organismi viventi che, per vivere, inducono cambiamenti nella composizione e nelle proprietà termodinamiche dell atmosfera e delle acque marine e continentali. L attività dei viventi rende continuamente adatte le condizioni chimiche e fisiche della superficie terrestre, dell atmosfera e dell idrosfera alla vita stessa. L ipotesi di Gaia, che all epoca della sua formulazione fu accolta con molte perplessità dal mondo scientifico, è attualmente oggetto di attenzione crescente da parte degli studiosi, sia per le sue forti implicazioni filosofiche, sia perché una seria politica di conservazione ambientale non può che partire da una visione globale del sistema Terra. Se si accettano i presupposti di Gaia vengono meno le concezioni del mondo, sviluppatesi fino ad ora, che considerano la Terra come una fonte di risorse che l uomo può sfruttare indiscriminatamente. /12

23 C APITOLO 1 La Terra: uno sguardo introduttivo Atmosfera Idrosfera iosfera Involucro gassoso di aria che avvolge la parte solida e liquida della Terra e nella quale avvengono i fenomeni atmosferici Insieme delle acque distribuite sulla superficie terrestre sia in forma liquida (oceani, laghi, fiumi, falde sotterranee) sia solida (nevi, ghiacci), sia aeriforme (vapore acqueo) Insieme delle parti della Terra occupate da organismi viventi: comprende l atmosfera fino a circa 5 km di altezza, la litosfera fino a circa 2 km di profondità e l idrosfera TAELLA 1.2 Le componenti del sistema Terra e i loro meccanismi di attivazione. Il nostro pianeta funziona come un insieme di parti legate tra loro da continui flussi di materia e di energia. Litosfera Astenosfera Mantello profondo Nucleo esterno Nucleo interno Involucro esterno roccioso della Terra che comprende la crosta e la parte superiore del mantello, fino a una profondità media di circa 100 km; è frammentata in diverse placche tettoniche (o litosferiche) Strato debole e duttile del mantello, al di sotto della litosfera, che si deforma per adattarsi ai movimenti orizzontali e verticali delle placche Parte al di sotto dell astenosfera che si estende da una profondità di circa 400 km fino al limite mantello-nucleo (profondo circa km) Involucro liquido, composto principalmente di ferro fuso, che si estende approssimativamente tra i km e i km di profondità Sfera interna, costituita prevalentemente di ferro solido, che si estende all'incirca tra i km e il centro della Terra (a una profondità di circa km) Le componenti attivate dall energia solare sono l atmosfera, l idrosfera e la biosfera, mentre sono attivate dal calore interno della Terra la litosfera, l astenosfera, il mantello, il nucleo esterno e quello interno. Nel prossimo paragrafo sarà introdotto il sistema tettonica delle placche che, attivato dal calore interno della Terra, si compie attraverso flussi di materia e di energia (moti convettivi) tra mantello profondo, astenosfera e litosfera. Il ciclo delle rocce (vedi capitoli 2, 6, 8 e 12), le deformazioni alle quali sono sottoposti i materiali litosferici (vedi capitolo 3), i terremoti (vedi capitolo 4), le eruzioni vulcaniche (vedi capitolo 7), la formazione degli oceani e delle catene montuose (vedi capitoli 9 e 10), sono tutte conseguenze delle interazioni tra le varie componenti della Terra solida che verranno approfondite nei capitoli 5, 9 e 10. Il sistema geodinamo, reponsabile dell esistenza del campo magnetico terrestre, ha origine profonda, ma è in grado di interagire con le componenti più esterne del sistema Terra, come la biosfera e l atmosfera. Il sistema geodinamo sarà esaminato nel capitolo 5. Il sistema clima coinvolge tutte le componenti del sistema Terra; le loro interazioni concorrono a determinare il clima su scala globale e le sue variazioni nel tempo. Il clima non esprime soltanto il comportamento dell atmosfera, ma è influenzato anche dai molteplici processi che coinvolgono l idrosfera, la litosfera e la biosfera. L atmosfera sarà analizzata nel volume C, nel capitolo 3, e l idrosfera nei capitoli 1 e 2, mentre le loro interazioni con le altre componenti che determinano la distribuzione dei climi nello spazio e nel tempo saranno considerate nel capitolo 5, sempre del volume C. L origine e l evoluzione delle forme del rilievo, dovute a processi di sollevamento, deformazione, degradazione, incisione, spianamento e deposito sono la conseguenza dell interazione tra il sistema tettonica delle placche e il sistema clima e verranno trattate nel volume C, capitoli 6-9. Per meglio comprenderne i rapporti, basti pensare che gli spessori del nucleo, del mantello e della crosta della Terra hanno circa le stesse proporzioni del nocciolo, della polpa e della buccia di un avocado. 10 Quali sono i tre differenti fenomeni che hanno causato il subitaneo surriscaldamento della Terra? 11 Qual è l intervallo temporale tra la formazione della Terra e la formazione delle sue rocce più antiche? 12 Spiega perché sulla Terra le tracce degli impatti meteoritici sono rare. 13 Spiega quando il meccanismo della convezione è divenuto un efficiente meccanismo di trasferimento di calore della Terra. 14 Descrivi che cosa si intende per differenziazione gravitativa. 15 Che cosa si intende esattamente per «catastrofe del ferro»? 16 Qual è il risultato della zonazione chimica della Terra? 17 Illustra, a grandi linee, le caratteristiche chimiche della Terra. 18 Perché la formazione di un nucleo liquido fu fondamentale nell evoluzione terrestre? 19 Descrivi l ipotesi che spiega la formazione della primitiva crosta terrestre. 20 Che cosa s intende con il termine biosfera? 21 Spiega perché la biosfera non può essere un sistema separato dalle altre sfere. AE Mettiamoci alla prova /13

24 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO E DELLA TERRA La Terra dinamica LA TERRA: UNA MACCHINA TERMICA FIGURA 1.14 Il mosaico globale delle placche litosferiche. Si noti che alcune, come quelle Africana, Australiana e Sudamericana, comprendono anche, oltre a porzioni di crosta oceanica, grandi blocchi continentali; altre invece, come quella del Pacifico, sono interamente costituite di litosfera oceanica. Le placche si muovono molto lentamente (sull ordine di alcuni centimetri all anno). Placca Arabica Placca Africana Placca Eurasiatica Placca dell Anatolia Placca Indiana Placca Australiana Placca Juan de Fuca Placca delle Filippine Placca delle Cocos Placca del Pacifico Placca Nordamericana Placca di Nazca Placca dei Caraibi Placca Sudamericana Placca Antartica FIGURA 1.15 Sezione della parte più esterna della Terra. Il guscio superficiale, rigido e resistente, detto litosfera, è composto dalla crosta, suddivisa in continentale (granitica) e oceanica (basaltica), e dalla porzione più esterna del mantello, che è la parte preponderante dell interno della Terra. La litosfera, che costituisce le placche, ha uno spessore di km in corrispondenza dei continenti e di km sotto gli oceani. 1.9 Come funziona la «macchina» Terra: struttura interna e tettonica delle placche Molti fenomeni che si manifestano sulla superficie terrestre trovano la loro origine nelle viscere del nostro pianeta e sono indicatori di condizioni d instabilità interna. Nonostante l impossibilità di esplorare direttamente le profondità della Terra, con metodi geofisici integrati da dati di laboratorio si cerca di costruirne modelli strutturali di dettaglio. Secondo questi modelli la Terra al proprio interno è molto calda e disperde continuamente calore attraverso la sua superficie; essa si comporta quindi come una gigantesca «macchina termica» con distribuzione delle temperature al Crosta continentale Crosta oceanica proprio interno strettamente legata alla sua struttura, composizione, stato dinamico ed evoluzione. L elevata temperatura e l instabilità termica producono forze in grado di rimescolare e di spingere verso l alto i materiali interni e sono, in definitiva, responsabili dell energica attività geologica della parte superiore del pianeta. Da circa quarant anni esiste una teoria generale in grado di spiegare in modo unificante tutti i grandi fenomeni geologici, tra cui l origine e la distribuzione dei vulcani, dei terremoti, dei fondi oceanici e delle catene montuose. Secondo questa teoria, conosciuta come tettonica delle placche, che tratteremo in dettaglio nel capitolo 10, la parte superficiale della Terra è costituita da un involucro relativamente rigido, la cosiddetta litosfera, un sottile guscio (ricordiamoci che il raggio equatoriale terrestre è di km) che, a sua volta, è suddiviso in un certo numero di elementi, le placche, incastrati l uno nell altro come i pezzi di un gigantesco puzzle (figura 1.14) km 200 /14 Litosfera Mantello Tettonica è la parte della geologia che studia la deformazione delle rocce, le grandi strutture e i movimenti delle placche litosferiche. Le placche si estendono verso il basso per km, fino a una zona non ben definita dove le rocce sono sensibilmente più calde e meno resistenti della sovrastante più fredda e più rigida litosfera (figura 1.15). Le placche sono in continuo movimento l una rispetto all altra, ma la

25 C A P I TO L O 1 La Terra: uno sguardo introduttivo Materiale caldo del mantello sale La convezione fa muovere l acqua calda dal fondo verso la superficie dove essa si raffredda, si muove lateralmente e quindi si sposta verso il basso e dà origine alle placche, che divergono e si allontanano. Dove le placche convergono, una placca, raffreddatasi, viene trascinata al di sotto della placca adiacente,... si riscalda e sale di nuovo. A velocità dei loro spostamenti è modesta (2 15 cm all anno). Tuttavia, considerando l ampiezza dei tempi geologici, ci si può rendere facilmente conto che gli spostamenti possono essere dell ordine di migliaia di kilometri. Il «motore» che fa muovere le placche va ricercato nei moti convettivi che rimescolano l interno della Terra (figura 1.16). Si tratta di movimenti simili a quelli che si formano in una pentola d acqua che bolle, ma, naturalmente, sono assai più lenti perché il materiale coinvolto è molto viscoso, quasi allo stato solido. Essi servono a disperdere il grande calore immagazzinato all interno della Terra fin da quando il nostro pianeta era ancora una massa incandescente. sprofonda, si riscalda e sale di nuovo. FIGURA 1.16 (A), l acqua in ebollizione è un esempio familiare di movimento convettivo. (), l interno della Terra (dove si raggiungo temperature fino a C) è rimescolato da lenti movimenti di materiale, detti correnti convettive, che servono a disperdere l elevatissimo calore presente all interno del pianeta. Tali correnti sono il «motore» che fa muovere le placche e determina tutta la dinamica della crosta terrestre (spostamenti di continenti, vulcani, terremoti, nascita delle catene montuose). In definitiva, è come se la Terra, al suo interno, fosse in continua ebollizione. La parte superficiale delle placche è costituita prevalentemente da materiale basaltico, cioè lava scura e relativamente pesante che fuoriesce nel mezzo degli oceani, in corrispondenza di lunghissimi rilievi sottomarini costellati di vulcani, le cosiddette dorsali mediooceaniche (figura 1.17). I continenti (Africa, Americhe, Australia, Antartide, Asia, Europa) sono invece masse di materiale più leggero, essenzialmente di tipo granitico, e sono inglobati in questa specie di «nastro trasportatore» che sono le placche; si spostano «galleggiando», trascinati passivamente dal loro movimento (figura 1.18). FIGURA 1.17 Morfologia sottomarina degli Oceani Atlantico, Indiano e Pacifico. Sono ben visibili le dorsali mediooceaniche in corrispondenza delle quali risalgono le correnti convettive e si crea continuamente nuova crosta oceanica. /15

26 CORSO DI SCIENZE DEL CIELO TERRA La Terra dinamica E DELLA Le placche, dunque, si accrescono negli oceani, lungo le dorsali, che sono le fratture, le aperture dove arrivano in superficie le correnti convettive che rimescolano l interno della Terra (cfr. figura 1.16 ). Ma, se lungo le dorsali esce in continuazione materiale e si genera nuova litosfera, è necessario che una corrispondente quantità venga inghiottita da qualche altra parte, altrimenti la Terra dovrebbe aumentare di volume. E non vi è alcuna evidenza che confermi tale fenomeno. La Terra infatti può essere considerata un sistema ter- Pa FIGURA 1.18 Fossa oceanica fi co I continenti, costituiti di materiale granitico relativamente leggero, vengono trascinati e trasportati passivamente, inglobati all interno delle placche. ci Mantello Sudamerica Dorsale medio-atlantica O ceano Nucleo Atlantico FIGURA 1.19 La litosfera, che si forma calda e plastica in corrispondenza delle dorsali oceaniche, ridiscende poi, fredda e pesante, nelle zone di subduzione, la cui espressione morfologica superficiale sono le fosse oceaniche. modinamicamente chiuso che scambia con l esterno energia, ma non materia (tranne una trascurabile quantità di polvere cosmica e rari meteoriti) e conserva perciò la sua massa. Sulla Terra, devono dunque esistere dei luoghi dove le placche si distruggono e scompaiono. Infatti, in certe zone, che sono le fosse oceaniche (cfr. figura 1.16 ), una placca si immerge, sprofonda sotto un altra e viene riassorbita all interno della Terra: questo processo o movimento di lenta discesa e penetrazione di una placca all interno della Terra è detto subduzione (figura 1.19). Quando le placche in movimento trascinano blocchi continentali incastonati al loro interno, quali potrebbero essere, ad esempio, l Africa, l Australia o l Europa, questi, una volta giunti «faccia a faccia» nella zona di subduzione, trovano notevole difficoltà a infilarsi l uno sotto l altro e a penetrare in profondità, all interno della Terra. Infatti, come già accennato in figura 1.15, i continenti sono costituiti di materiale granitico, che è sensibilmente più leggero (densità = 2,7 2,8 g/cm 3) delle rocce che stanno al di sotto delle placche (densità = 3,3 g/cm 3): è come se si volesse far affondare nell acqua un tappo di sughero. La mobilità delle placche è stato un importante processo durante larga parte della storia della Terra. Questa mobilità è responsabile della creazione di catene montuose, della distribuzione dei vulcani e dei terremoti, della forma dei continenti e dei grandi bacini oceanici. La tettonica delle placche ha anche influenzato la formazione dell atmosfera, lo sviluppo delle zone climatiche e l evoluzione della vita. La teoria della tettonica delle placche è in grado di spiegare che: Africa Astenosfera Litosfera Fossa oceanica Vulcano Fus ione ris e di m alita agm a 1 i continenti si sono spostati lateralmente sulla superficie terrestre per migliaia di kilometri e si stanno muovendo tuttora, seppur lentissimamente, di qualche centimetro all anno; 2 i bacini oceanici, intesi come depressioni della crosta terrestre e non come massa d acqua, si sono formati per progressivo allontanamento dei blocchi continentali e continua fuoriuscita di materiale proveniente dall interno della Terra; 3 quando, nel loro lento movimento di deriva, due masse continentali si avvicinano fino a collidere frontalmente, i materiali interposti, cioè le rocce e i sedimenti della crosta terrestre, subiscono un intensa deformazione che porta al sollevamento di tutta la zona compressa, che diventa una catena di montagne (orogenesi). Litos fera Aste nos fera 씰 L orogenesi (da oros = monte e genesis = origine) è l insieme dei fenomeni sedimentari, magmatici, tettonici, geodinamici in generale, che danno luogo alla formazione delle catene montuose. Tutto quanto ora detto verrà ripreso e trattato in modo più dettagliato nei capitoli successivi. /16

27 C APITOLO 1 La Terra: uno sguardo introduttivo 1.10 La tettonica delle placche e la geologia dell Italia Nel paragrafo precedente abbiamo descritto a grandi linee come funziona la macchina Terra e la sua dinamica. Com è inserita l Italia in questo grande processo evolutivo della litosfera terrestre? Dobbiamo dire innanzitutto che l Italia (eccettuata la Sardegna) è una regione assai giovane dal punto di vista geologico e anche assai complicata. Fino a poche decine di milioni di anni fa il territorio italiano si trovava sotto al mare e ha cominciato ad affiorare solo quando l Africa, spostandosi verso nord, è entrata in collisione con l Europa. Per prime si sono formate le Alpi e solo successivamente, quando Sardegna e Corsica, che facevano parte di Francia e Spagna, si sono spostate verso est, sono nati gli Appennini e si è formato il Mar Tirreno. Anche la Calabria è un «frammento» di crosta europea, in origine addossato alla Sardegna. Così, durante gli ultimi cento milioni di anni, tra collisioni continentali, rotazioni di blocchi, nascita e scomparsa di bacini oceanici, è nato il nostro Paese, un affascinante «puzzle» geologico in cui si trovano a stretto contatto frammenti di crosta europea (Sardegna e Calabria), tratti del margine continentale africano (Sicilia), antichi banchi oceanici simili alle isole ahama (Puglia), rocce di oceani perduti (Val d Aosta, Monviso, Appennino ligure) e grandi vulcani attivi quali l Etna e il Vesuvio. In conclusione, possiamo suddividere schematicamente l'italia in sette differenti province geologiche (figura 1.20). A nord la catena alpina, che si è formata a causa della collisione della Placca africana con quella europea. Al centro, lungo l asse della penisola, gli Appennini, che sono più giovani delle Alpi e devono la loro origine alla deriva verso est del blocco sardo-corso. Fra Alpi e Appennini vi è la Pianura Padana, una struttura assai recente causata dall innalzamento delle catene contigue. A sud poi abbiamo la Calabria, che è «parente» della Sardegna, entrambe frammenti del continente europeo (Francia meridionale), infine la Sicilia, che è al margine nord del continente africano, e la Puglia, che si trova al di fuori delle due catene montuose principali LE ALPI: IL CERVINO GLI APPENNINI: LE ALZE DI VOLTERRA LA PIANURA PADANA: IL PO 5 6 LA SARDEGNA: I TACCHI LA CALARIA: L ASPROMONTE LA SICILIA: L ETNA LA PUGLIA: IL GARGANO FIGURA 1.20 Le sette province geologiche in cui può essere suddivisa l Italia: 1) le Alpi, 2) gli Appennini, 3) la Pianura Padana, 4) la Sardegna, 5) la Calabria, 6) la Sicilia e 7) la Puglia. 22 Qual è la causa principale dei fenomeni geologici che si manifestano sulla superficie terrestre? 23 Come viene suddiviso l interno della Terra? 24 Elenca quali sono i punti fermi e documentati che danno forza al modello della tettonica delle placche. 25 Come si chiamano le zone nelle quali viene prodotta nuova litosfera? E quelle nelle quali viene distrutta? 26 Perché due masse continentali che collidono trovano notevole difficoltà a infilarsi l una sotto l altra? 27 Qual è il principale meccanismo di trasferimento di calore nell interno terrestre? 28 Quali fenomeni geologici hanno determinato la formazione dell Italia negli ultimi 100 milioni di anni? 29 Per quale aspetto la Sardegna si distingue, nella sua origine, dal resto del territorio italiano? AE Mettiamoci alla prova /17