I pennacchi hanno innescato la tettonica a placche?

L'ispirazione gli è venuta, tra l'altro, dagli studi sulla superficie del pianeta Venere. La tettonica a placche non si è mai verificata su questo pianeta. Invece, Gerya ha osservato (e modellato) su Venere strutture che forse si trovavano anche sulla superficie terrestre nel primo periodo (Precambriano) della storia della Terra, prima dell'inizio della tettonica a placche: enormi cerchi simili a crateri. Questi indicano probabilmente che i pennacchi di mantello si sono sollevati dal nucleo di ferro di Venere verso la superficie e hanno ammorbidito e indebolito la pelle di questo pianeta. I pennacchi si formano nelle profondità dell'interno di Venere, salgono sotto la sua rigida pelle esterna e portano con sé materiale del mantello parzialmente fuso. Rallentato dalla resistenza della dura litosfera, il flusso di materiale si diffonde lateralmente e assume la forma di un fungo. I pennacchi garantiscono l'indebolimento e la deformazione della litosfera.

Tali pennacchi probabilmente esistono anche nell'interno della Terra. Come nel caso di Venere, potrebbero aver creato in un lontano passato punti deboli nella litosfera terrestre, necessari per l'inizio della tettonica a placche.

Il pennacchio di mantello crea un punto debole

Insieme ai colleghi, il geofisico dell'ETH ha quindi sviluppato nuovi modelli al computer con l'aiuto dei quali ha analizzato per la prima volta questa idea in alta risoluzione e in tre dimensioni. L'articolo corrispondente è stato appena pubblicato su "Nature".

Le simulazioni mostrano che i pennacchi di mantello e i punti deboli da essi creati potrebbero effettivamente aver dato inizio alle prime zone di subduzione.

Nelle simulazioni, un pennacchio indebolisce la litosfera sovrastante. Si forma un punto debole circolare e assottigliato del diametro di alcune decine o centinaia di chilometri. Questo si allunga nel tempo grazie all'apporto di materiale proveniente dalle profondità del mantello terrestre. "Per espandere un anello, bisogna romperlo", spiega il ricercatore. Questo vale anche per la pelle della Terra: il punto debole a forma di anello può espandersi (nel modello) solo se i bordi si rompono.

L'acqua lubrifica il bordo della placca

Le crepe si propagano infine nella litosfera. Grandi zolle si immergono nel mantello soffice ed emergono i primi margini di placca. La forza di trazione creata dall'immersione di queste zolle mette in moto la placca. Essa si immerge, ben lubrificata dall'acqua marina intrappolata dagli oceani sovrastanti. La subduzione si mette in moto e con essa la tettonica a placche. "Come lubrificante, l'acqua è una necessità indispensabile perché la subduzione si perpetui", spiega Gerya.

Nelle loro simulazioni, i ricercatori confrontano diverse condizioni di temperatura e stati della litosfera. Sono giunti alla conclusione che la tettonica a placche indotta dalle placche poteva probabilmente svilupparsi solo nelle condizioni che prevalevano nel Precambriano, circa tre miliardi di anni fa. A quel tempo, la litosfera era già spessa e raffreddata, ma il mantello era ancora molto caldo. Ciò significava che c'era abbastanza energia disponibile per indebolire in modo decisivo la litosfera che si trovava al di sopra di un pennacchio.

Se invece la litosfera fosse stata sottile e calda, cioè morbida, le simulazioni mostrano che dalla sommità del pennacchio si sarebbe staccata solo una struttura ad anello. Questa affonderebbe rapidamente e uniformemente nel mantello, ma non porterebbe alla lacerazione e all'immersione della litosfera e, in definitiva, non produrrebbe alcun margine di placca. Allo stesso modo, nelle simulazioni al computer nelle condizioni attuali, con differenze di temperatura più basse tra litosfera e materiale del pennacchio, la subduzione innescata dai pennacchi può verificarsi solo molto raramente, poiché la litosfera è già troppo rigida e il pennacchio difficilmente la indebolisce a sufficienza.

Meccanismo dominante

"I nostri nuovi modelli spiegano in modo molto plausibile la formazione della tettonica a placche", afferma il geofisico. L'attività dei pennacchi è sufficiente a creare l'attuale mosaico di placche". Gerya considera persino la potenza dei pennacchi il un innesco dominante della tettonica globale delle placche.

Le simulazioni possono anche spiegare come si formano le cosiddette giunzioni triple, ossia zone in cui tre placche si uniscono. Una giunzione tripla di questo tipo si forma quando il "coperchio" morbido sopra il pennacchio in esplosione si allunga in diverse direzioni. Una tripla giunzione di questo tipo si può osservare, ad esempio, nel Corno d'Africa, nel triangolo formato da Etiopia, Eritrea e Gibuti.

Una zona di debolezza analoga, e quindi un punto di partenza per la tettonica a placche globale, esiste probabilmente anche sulla Terra moderna: gli scienziati della Terra vedono tale zona nella placca caraibica. La sua forma, posizione ed estensione corrispondono in gran parte alle simulazioni con i nuovi modelli.

Se ci si basasse esclusivamente sulle osservazioni, sarebbe impossibile dimostrare come sia iniziata la tettonica a placche sul globo. Non ci sono dati geofisici e geologici del primo periodo della Terra, e gli esperimenti di laboratorio non sono possibili per i processi tettonici su larga scala e a lungo termine, spiega il ricercatore all'ETH. "I modelli al computer sono quindi l'unico modo per ricreare e comprendere i processi della storia primordiale della Terra".