EMISSIONI IDROTERMALI SOTTOMARINE La scoperta delle sorgenti calde sul fondo dell'oceano durante gli anni '70 è stata uno degli eventi più entusiasmanti della storia dell'oceanografia. Le più spettacolari sono le fumarole nere (BLACK SMOKERS) per le quali l'acqua fuoriesce dagli orifizi sul fondo marino a temperature di 350 C e più, formando una densa nuvola di "fumo" nero, costituito da minute particelle di solfuri metallici. A temperature di emissione più basse (30-300 C), il "fumo" è costituito da particelle bianche di solfato di bario, da cui il nome di fumarole bianche (WHITE SMOKERS). Meno spettacolari ma altrettanto importanti sono le emissioni di acque calde (WARM-WATER VENTS) con acqua a temperatura di 10-20 C che emergono in un contesto di acque circostanti con temperature di 2-3 C. Queste sorgenti di acqua calda sostengono ecosistemi particolari, nei quali la produzione primaria nella catena trofica locale non dipende dalla fotosintesi ma dalla chemosintesi batterica. Nelle aree di formazione di nuova crosta oceanica si avviano processi idrotermali, perche l'acqua di mare, con moti convettivi, circola entro le rocce ignee calde di nuova formazione. Si ritiene che il fenomeno sia molto esteso e che circa un terzo dei fondali oceanici sia interessato da questi sistemi di circolazione d'acqua. Il tasso di circolazione dell'acqua oceanica in questi sistemi è tale che in pochi milioni di anni tutta l'acqua oceanica può ricircolare attraverso di essi, diventando così il punto di maggior scambio degli elementi chimici tra acqua di mare e rocce basaltiche calde. Di conseguenza la crosta oceanica funziona da tampone della composizione chimica degli oceani e per alcuni elementi dell'acqua di mare è una fonte più importante dei fiumi. L'arricchimento di solfuri metallici nei fluidi idrotermali che si immettono nell'oceano è uno dei principali meccanismi terrestri di formazione dei minerali. Prima della loro scoperta, le ipotesi che ne presumevano la presenza lungo le dorsali oceaniche si basavano sulla presenza sulle terre emerse dei fenomeni idrotermali. Le sorgenti calde ed i geyser della Groenlandia, situata a cavallo della Dorsale Medio-Atlantica, facevano presumere presenze analoghe lungo la dorsale. Inoltre il progressivo incremento di concentrazione di ferro, manganese ed altri metalli nei sedimenti oceanici di più recente deposizione, via via che ci si avvicinava alle creste delle dorsali facevano pure presumere la presenza di sorgenti di questo tipo. Altri studi sulle alterazioni ed il metamorfismo delle rocce basaltiche per reazione con acqua di mare calda confermavano che grandi volumi di acqua di mare possono penetrare per più di 5 km nella crosta oceanica e circolarvi dentro ad alte temperature.
Emissioni idrotermali sottomarine e habitats circostanti 2
Estensione della circolazione idrotermale La maggior parte delle fumarole nere e fumarole bianche sono state trovate lungo i rilievi del Pacifico Orientale e la Barriera delle Galapagos. Fumarole nere fossili caratterizzate dai lori camini spenti sono state localizzate entro pochi chilometri dagli assi delle Dorsali del Pacifico Orientale. Distribuzione globale dei principali siti di emissioni idrotermali Le colorazioni dei punti indicano siti con comunità animali similari (vedi Link) Nel 1985 per la prima volta furono osservate fumarole nere lungo la Dorsale Medio-Atlantica in prossimità del 26 N. Questa scoperta fu seguita da numerose indicazioni di attività idrotermale, compresi piccoli aumenti della temperatura nell'acqua di fondo e forti arricchimenti di manganese nell'acqua delle fratture assiali. Le fumarole nere della Dorsale Medio-Atlantica sono localizzate negli avvallamenti delle fratture, a profondità di 3800m sotto il livello del mare, molto più in profondità delle sorgenti del Pacifico, ed i depositi di solfuri intorno le bocche sono molto più grossi. Dai rilevamenti geomorfologici si è constatato che l'attività idrotermale deve verificarsi per tutti i 50.000km di lunghezza del sistema assiale, ovunque si formi una camera magmatica. In tempi geologici la zona assiale è una sorgente permanente lineare di calore. I campi di sorgenti idrotermali del tipo descritto si trovano a non più di 200m dall'asse della Dorsale e rappresentano le zone di risalita sovrastanti le parti più calde delle camere magmatiche. Le zone di riflusso si estendono su aree molto più ampie, comprendendo le parti più fredde degli assi delle Barriere. Sorgenti isolate sono state osservate in associazione con attività magmatica di montagne marine e si ritiene che diversi depositi minerali idrotermali si siano formati in questo modo. 3
Le principali zolle tettoniche ed il loro movimento attuale (frecce) Le zone grigie lungo i margini delle zolle indicano compressione e subduzione del margine, mentre i margini con frecce divergenti sono costruttivi, cioè con fuoriuscita del materiale magmatico e formazione di rilievi sottomarini Link su scoperta di zone attive nell Oceano Artico 4
La natura della circolazione idrotermale I sistemi idrotermali hanno due caratteristiche fondamentali: si verificano in regioni ad elevato gradiente geotermico, dove le rocce calde sono più vicine alla superficie, ed hanno un "sistema a piombo" di fratture così che l'acqua fredda può percolare in giù nella crosta e poi risalire alla superficie come acqua calda. Il movimento dell'acqua attraverso queste fratture è tale che la percolazione entro la crosta si verifica su di un'area piuttosto ampia, attraverso i pori e le fratturazioni della roccia, mentre il flusso di risalita si concentra in un numero limitato di canali, determinando la grande forza con cui l'acqua fuoriesce da questi. La differenza principale tra i sistemi idrotermali oceanici e terrestri è che la crosta oceanica è sovrastata da migliaia di metri di acqua di mare e soggetta ad una pressione idrostatica elevata. Globalmente, l'attività idrotermale oceanica è più importante di quella terrestre, si verifica lungo tutta la lunghezza del sistema delle dorsali oceaniche, per grandi distanze su entrambi i lati e si verifica in continuazione, poichè continua, su scala geologica, è la formazione di nuova crosta oceanica. Le temperature sono più alte ed i flussi più grandi che in qualsiasi altro sistema idrotermale terrestre. Schema di funzionamento di un black smoker Il riconoscimento dell'estensione della circolazione idrotermale negli anni '70 ebbe una profonda influenza sulle idee riguardanti la circolazione, l'apporto e la rimozione degli elementi chimici negli oceani. L'effetto delle reazioni idrotermali sull'acqua di mare può essere constatato confrontando la composizione dell'acqua di mare e quella di soluzioni di sorgenti idrotermali. Inoltre alcuni elementi che sono quantitativamente principali in acqua di mare sono solo costituenti minori o in tracce 5
nelle rocce, con la sola notevole eccezione del sodio che è un costituente principale in entrambe. Il sodio può essere perduto o guadagnato dalle rocce durante la circolazione idrotermale a seconda delle condizioni che si verificano. In genere il sodio viene perduto dalle rocce se il rapporto fra massa d'acqua che passa attraverso la roccia ed unità di massa di roccia è maggiore di 10, il processo si inverte per valori inferiori. La concentrazione di potassio è molto più alta in alcune soluzioni idrotermali che non in acqua di mare, ma solo se le temperature superano i 150 C. A temperature più basse sono le rocce ad assorbire potassio dall'acqua di mare. La concentrazione del silicio è pure molto più alta nei fluidi idrotermale che non nell'acqua di mare, raggiungendo la saturazione nelle soluzioni alle temperature ed alle pressioni del sistema nella crosta. Quando la temperatura e la pressione diminuiscono col progredire dei fluidi verso il fondo del mare, spesso si ha la precipitazione della silice in forma di quarzo. Una parte del solfato viene ridotta a solfuro ed il rimanente precipita col calcio come anidrite (CaSO4) mentre la soluzione penetra fra le rocce. Il solfuro si combina con il ferro e con altri metalli per formare solfuri insolubili, che precipitano in parte all'uscita costruendo i camini, ed in parte fuoriescono come particelle sospese nei fluidi formando il cosiddetto fumo, quando l'acqua calda fuoriesce dal fondo del mare. Il magnesio manca completamente dalle soluzioni termali per scambio fra l'acqua di mare e le rocce. D'altra parte ferro e manganese sono entrambi solubili nelle soluzioni riducenti acide che si trovano nelle soluzioni idrotermali, il che spiega il forte incremento delle loro concentrazioni. Tuttavia le dimensioni dello ione Fe(2+) e la sua carica simili a quelle dello ione Mg (2+) possono favorire una cocristallizzazione durante i processi che si verificano durante i processi idrotermali, arricchendo le rocce di ferro. Questo spiegherebbe il rapporto ferro:manganese fra 50 e 100 nelle rocce basaltiche e solo di 3 nei fluidi idrotermali come pure nei sedimenti delle dorsali oceaniche. Il manganese sembra andare in soluzione più facilmente del ferro nei fluidi idrotermali, ma sono parimenti insolubili nelle condizioni ossidanti che si trovano nelle acque e nei sedimenti di fondo, così rimangono come ossidi che ricoprono la superficie dei fondali. Link sui processi chimici delle emissioni idrotermali in un sito dell Oceano Artico Fumarole bianche, fumarole nere e sorgenti di acqua calda Si è visto che esistono due tipi estremi di sorgenti idrotermali lungo gli assi delle dorsali: le fumarole nere, da cui l'acqua emerge a temperature di circa 350 C o più provocando la precipitazione di particelle minerali che costruiscono un camino sul foro d'uscita e formano il fumo nero a contatto con l'acqua di fondo, e le sorgenti di acqua calda nelle quali la temperatura dell'acqua emergente raramente supera i 20 C, anzi comunemente è inferiore. Tra i due tipi c'è di fatto una gamma continua di tipi diversi di sorgenti, che prendono il nome di fumarole bianche con temperature di uscita comprese fra 30 e 300 C. L'acqua che fuoriesce può essere limpida ma più spesso produce dei precipitati bianchi (da cui il nome) in cui predomina solfato di bario ed una piccola quantità di solfuri di ferro e di silice. Esiste una relazione fra i diversi tipi di sorgenti idrotermali ed una loro evoluzione temporale; in qualsiasi momento una emissione di acqua calda può trasformarsi in fumarola bianca o nera. La precipitazione di minerali nelle rocce 6
circostanti ne riduce la permeabilità ed isola la zona di risalita, cosicchè l'acqua calda che risale non si può mescolare con l'acqua fredda in prossimità della superficie. I minerali precipitati nelle rocce includono diverse forme di silice, anidrite, barite, calcite e solfuri di ferro, rame e zinco, che si accumulano isolando il condotto finchè raggiungono il fondo del mare e formano poi il camino tipico delle fumarole nere. Una volta che il flusso viene isolato le acque calde non possono mescolarsi ed emergono ad alta temperatura, facendo precipitare gli elementi disciolti quando vengono in contatto con l'acqua di mare. Sotto i punti di uscita delle sorgenti ci sarà quindi l'accumulo di minerali di solfuro e di solfato in piccole vene e ammassi che si ramificano nelle rocce, saturandole via via che si formano col mescolarsi con l'acqua fredda interstiziale. Una sorgente di acqua calda che permane allo stadio di fumarola bianca senza evolvere a fumarola nera svilupperà intorno una vasta rete di questi depositi minerali senza tuttavia riuscire ad impermeabilizzare sufficientemente la roccia e quindi ad isolare completamente il fluido termale. Le velocità di emissione variano da 0.02-0.1 m/s per le sorgenti di acqua calda a 0.5-5 m/s per fumarole bianche e fumarole nere e quindi occorrono da 70 ore a 15 minuti perchè l'acqua di mare riscaldata percorra circa 5 km di crosta prima di arrivare sul fondo del mare. Singoli campi di emissione occupano strisce relativamente corte dell'asse delle dorsali, probabilmente non più di pochi chilometri. Più condotti di emissione possono concentrarsi in un'area piuttosto ristretta; per esempio, oltre 12 fumarole nere sono state osservate lungo una striscia di 800m della dorsale Pacifica Orientale al 21 N, ma possono anche disporsi ad intervalli irregolari lungo l'asse della dorsale con varie distanze fra loro. Tipologia di distribuzione di diverse forme di emissione idrotermale sottomarina 7
La vita nei sistemi idrotermali sottomarini Una delle osservazioni più sconcertanti fatte sulle sorgenti termali sottomarine fu la presenza di numerose forme viventi nelle immediate adiacenze delle bocche termali (molluschi, granchi, vermi tubiformi di notevoli dimensioni), il cui sostentamento non poteva essere spiegato con i detriti organici provenienti dalla superficie e derivanti da un carbonio organicato in superficie, fotosinteticamente, dal fitoplancton, che è costituito da organismi autotrofi. La quantità di sostanza organica che, non riutilizzata negli strati superiori, raggiunge le profondità a cui si trovano gli sbocchi termali è infatti insufficiente a sostenere le comunità osservate e soprattutto non spiega l'addensamento intorno le bocche termali. Inoltre le acque che fuoriescono contengono idrogeno solforato e questo fatto, insieme con l'assenza di luce, ha indotto a ritenere che la produzione primaria sia imperniata sulla chemosintesi. Tutti gli organismi hanno bisogno di energia, di elettroni per il trasferimento di energia e carbonio per la costruzione di sostanze organiche. Link sulla vita associata alle emissioni sottomarine nell Oceano Artico 8
Il termine chemosintesi indica che l'energia per la biosintesi (principalmente la trasformazione del carbonio inorganico in carbonio organico) è fornita da un'ossidazione chimica. Nel caso delle sorgenti termali la produzione primaria viene sostenuta da organismi che ossidano l'idrogeno solforato ed altri composti dello zolfo ossidabili aerobicamente cioè in presenza di ossigeno. Batteri chemosintetici e la simbiosi con i vermi giganti 9
Schema di rete trofica connessa alle emissioni idrotermali sottomarine. La produzione della sostanza organica è sorretta dai batteri chemotrofici che utilizzano l idrogeno solforato (H 2 S) durante la chemosintesi. Su questa produzione si sviluppa la rete trofica che comprende sia organismi come i vermi giganti tubiformi, che vivono in simbiosi coi chemobatteri, sia organismi predatori o detritivori che vivono nelle colonie di questo tipo (granchi, gamberetti, molluschi, ecc.) http://www.divediscover.whoi.edu/biology/index.html http://www.mbari.org/molecular/vents.html Map showing the global distribution of major hydrothermal vent sites. Colored circles show vents with similar animal communities. 10
Immagini dell Alvin, il primo sommergibile per lo studio oceanografico delle acque profonde e dei fondali degli oceani. http://www.divediscover.whoi.edu/tools/index.html http://www.whoi.edu/marops/vehicles/alvin/index.html 11