Come si forma la crosta continentale della Terra? Una nuova teoria Bottom-Up
Le Guglie McMillan nello stato di Washington hanno rocce metamorfiche conosciute come granuliti che si sono equilibrate a condizioni di pressione e temperatura tipiche della crosta inferiore continentale. Foto: John Scurlock/Jagged Ridge Imaging
In profondità sotto le isole Aleutine dell’Alaska, dove la pressione e le temperature sono diventate così alte che la roccia inizia a scorrere, sta nascendo una nuova crosta continentale.
Gli scienziati hanno creduto a lungo che la crosta continentale si forma negli archi vulcanici – sanno che il magma portato su dai vulcani degli archi è geochimicamente molto simile alla crosta continentale. La domanda persistente è stata come esattamente ciò avvenga. Mentre il magma che raggiunge la superficie è simile alla crosta continentale, la crosta inferiore sotto gli archi vulcanici è molto diversa dalla metà inferiore della crosta continentale.
Un nuovo studio apparso su Nature Geoscience di questa settimana solleva domande su una teoria popolare e fornisce un nuovo supporto ad un’altra, secondo la quale la lava dell’arco dalla superficie e i “plutoni” poco profondi – il magma che si è solidificato senza eruttare – sono tirati giù nella Terra nelle zone di subduzione e poi risalgono per accumularsi sul fondo della crosta dell’arco come il vapore sul soffitto della cucina. Gli scienziati hanno trovato prove convincenti per suggerire che questo potrebbe aver prodotto la maggior parte della crosta continentale inferiore nella storia della Terra.
Relaminazione di sedimenti subdotti.
Il processo, chiamato relaminazione, inizia sul bordo di una placca continentale, dove una placca oceanica si sta immergendo sotto la placca continentale e il magma sta salendo per formare un arco vulcanico. Mentre la placca oceanica si immerge, trascina giù sedimenti, lava e roccia plutonica dal bordo dell’arco. Mentre il materiale dell’arco scende, i minerali al suo interno diventano instabili con l’aumento della pressione e del calore, e subiscono cambiamenti chimici. Si formano nuovi minerali e pezzi di roccia e sedimenti possono staccarsi. Quando questi pezzi sono più densi della roccia del mantello che li circonda, continuano ad affondare. Ma quando sono meno densi, come quelli che formano le granuliti ricche di silice, diventano galleggianti e galleggiano verso l’alto fino a raggiungere il fondo della crosta ad arco e si accumulano lì.
“I sedimenti sono davvero ben rappresentati nella crosta inferiore continentale, ma come sono arrivati sul fondo del continente? Il modo più semplice è che quei sedimenti siano stati spinti giù per una zona di subduzione e siano saliti per accumularsi alla base della crosta”, ha detto Peter Kelemen, un geochimico dell’Osservatorio della Terra Lamont-Doherty della Columbia University e autore del documento con Mark Behn del Woods Hole Oceanographic Institution.
Campionando la crosta terrestre
Per determinare come la crosta ad arco potrebbe trasformarsi in crosta continentale, Kelemen e Behn hanno esaminato gli unici due siti conosciuti dove una sezione completa della crosta inferiore ad arco è visibile sulla terraferma. Un sito, in Pakistan, era stato catturato nell’antica collisione delle placche tettoniche tra India e Asia, ed era stato spinto verso l’alto in ripide montagne. L’altro, l’arco di Talkeetna che si estende dalla penisola dell’Alaska a Valdez, è stato spinto verso l’alto ai confini del Nord America.
“Di solito non riusciamo a vedere il fondo della crosta inferiore degli archi, ma in Alaska e in Pakistan possiamo vedere fino al fondo. Questi vecchi archi si sono formati, si sono schiantati sul Nord America, si sono girati sui loro lati e sono stati erosi nel corso di milioni di anni. Poiché sono inclinati, possiamo scendere dal fondo del mare, oltre la base della crosta e nel mantello”, ha detto Kelemen.
Sulla lunghezza di queste aree di crosta ad arco esposte, gli scienziati hanno preso campioni per vedere come la composizione geochimica della roccia cambiava con l’aumentare della profondità della crosta. Sono stati in grado di estrarre minerali che hanno registrato la pressione e la temperatura nel punto in cui i minerali si sono cristallizzati in profondità nel sottosuolo, segnando quanto fosse profonda la roccia in ogni punto.
Gli scienziati hanno trovato cambiamenti significativi nella composizione della crosta circa a metà strada nella crosta dell’arco.
Nella metà inferiore della crosta dell’arco, a partire da circa 20 chilometri sotto la superficie originale, la concentrazione media di oligoelementi “incompatibili” – elementi come tantalio e potassio che preferiscono rimanere nella fusione durante la cristallizzazione – era molto inferiore a quella della crosta continentale inferiore alla stessa profondità. Erano solo i 20 chilometri superiori della crosta ad arco ad avere composizioni simili alla crosta continentale inferiore.
Questo diventa un problema per una delle principali teorie su come si forma la crosta continentale, ha detto Kelemen. Questa teoria suggerisce che la crosta dell’arco si delamini – pezzi densi di roccia all’interno della crosta dell’arco si muovono lentamente verso il basso e “fondono” nel mantello fino a quando la crosta dell’arco raggiunge la composizione della crosta continentale. I nuovi dati suggeriscono che per far funzionare la delaminazione sarebbe necessario rimuovere gran parte della roccia da uno spessore di 20 chilometri di crosta. Tuttavia, la delaminazione funziona solo al di sotto dei 35-40 km di profondità.
“Quindi, anche dopo aver rimosso un po’ di roba densa dal fondo, ci si ritrova ancora con la crosta inferiore degli archi che sembra molto diversa dalla crosta inferiore dei continenti. Il processo non è sufficiente per fare la crosta inferiore continentale dalla crosta degli archi”, ha detto Kelemen. La delaminazione ha luogo, ma per essere la forza motrice richiederebbe un processo complesso di ripetuto ispessimento della crosta ed eventi metamorfici, ha detto.
Kelemen e Behn suggeriscono un processo più semplice.
Il test delle isole Aleutine
Gli autori hanno messo alla prova il loro modello sulle isole Aleutine. In questo arco vulcanico, la lava e i plutoni sono simili alla crosta continentale, ma la crosta inferiore è altamente impoverita di elementi che sono abbondanti nella crosta continentale inferiore. Per determinare il potenziale di rilaminazione per produrre crosta continentale inferiore, gli scienziati hanno calcolato la densità della lava esposta e dei plutoni alle pressioni e alle temperature della zona di subduzione.
Circa il 44% delle lave delle Aleutine e il 78% dei plutoni sarebbero più galleggianti della peridotite del mantello in condizioni di zona di subduzione, hanno trovato. Questo suggerisce che se parti dell’arco delle Aleutine vengono tirate giù nella zona di subduzione, a una profondità di 90-120 km, dove le temperature superano i 700°C, le lave dell’arco e i plutoni salirebbero per accumularsi lungo il fondo della crosta. La composizione di questo materiale accumulato assomiglierebbe alla crosta continentale inferiore.
Interessati da questa scoperta, gli scienziati hanno eseguito gli stessi calcoli per altri archi. Hanno trovato che nel sito Talkeetna in Alaska, il 48% delle lave e il 37% dei plutoni sarebbero galleggianti. A Kohistan, il sito in Pakistan, il 36 per cento delle lave e il 29 per cento dei plutoni sarebbero galleggianti.
La rielaborazione può essere evidente nello scisto Pelona della California meridionale dove sono visibili sezioni di crosta continentale inferiore, ha detto Kelemen. Rocce di argilla e macchie di peridotite del mantello circondate da materiali più galleggianti possono essere trovate nella crosta esposta, “sottoplaccata”.
“Possiamo vedere sedimenti giovani e vulcanici che sono stati infilati sotto la crosta continentale più vecchia e sono ora parte del pacchetto complessivo. Come sono arrivati laggiù? È successo nella California del Sud, e direi che probabilmente succede in molti altri posti”, ha detto Kelemen.
Scopri di più sul lavoro in corso al Lamont-Doherty Earth Observatory.