Esercizi: La teoria della tettonica delle placche

Che cos'è una placca litosferica e su quale strato più duttile si sposta? Spiega la differenza tra litosfera e astenosfera.

Nomina i tre tipi di margini tra placche litosferiche e descrivi il movimento relativo delle placche in ciascuno di essi.

Perché i terremoti e i vulcani non si distribuiscono a caso sulla superficie terrestre, ma si concentrano in fasce strette e allungate?

Che cos'è la crosta terrestre e in che cosa si differenzia dal mantello? Quale discontinuità li separa e come è stata individuata?

Nomina almeno due forze che contribuiscono al movimento delle placche litosferiche, come la spinta della dorsale, il trascinamento del mantello o il trascinamento della placca che subduce (slab pull), e descrivi brevemente ciascuna.

Che cos'è una fossa oceanica e in quale tipo di margine tra placche si forma? Fai un esempio attuale.

Confronta la crosta oceanica e quella continentale per composizione dominante, densità, spessore ed età massima delle loro rocce.

Che cos'è un punto caldo (hot spot)? Fai un esempio e spiega perché il suo vulcanismo non è associato ad alcun margine di placca.

Lo schema mostra tre margini tra placche (a, b e c). Identifica il tipo di margine di ciascun riquadro, descrivi il movimento delle placche che vi avviene e cita un esempio reale per ciascuno.

In una dorsale oceanica ogni fianco si allontana dall'asse a una velocità di $2,5\ \text{cm/anno}$. Calcola di quanti chilometri si sarà allargato l'oceano al termine di $10\ \text{Ma}$, tenendo conto che l'allargamento totale è la somma dei due fianchi.

In un margine convergente di subduzione, i terremoti sono sempre più profondi man mano che ci si allontana dalla fossa verso il continente. Spiega a che cosa è dovuta questa distribuzione (piano di Benioff).

Nella dorsale del Pacifico orientale ogni fianco si allontana dall'asse a $8\ \text{cm/anno}$. Calcola di quanto si sarà allargato quell'oceano in $5\ \text{Ma}$ e confronta questa velocità con quella della dorsale atlantica, di $2,5\ \text{cm/anno}$ per fianco.

Le anomalie magnetiche del fondo oceanico formano bande simmetriche ai due lati della dorsale. Spiega che cosa registrano queste bande e come dimostrano che il fondo oceanico si espande.

Negli archi vulcanici il magma si genera a circa $100\ \text{km}$ al di sopra della placca che subduce. Spiega che ruolo ha l'acqua liberata dalla placca durante la disidratazione nella fusione del mantello sovrastante.

Nei margini trascorrenti (trasformi) ci sono abbondanti terremoti ma quasi nessun vulcanismo. Spiega perché, mettendolo in relazione con il tipo di movimento e con il fatto che lì non si crea né si distrugge litosfera.

Due stazioni GPS situate ai due lati di una dorsale si allontanano a ragione di $4\ \text{cm/anno}$ in totale. Stima l'età della crosta oceanica situata a $240\ \text{km}$ dall'asse della dorsale e indica l'ipotesi che fai sulla costanza della velocità di espansione.

Una relazione tecnica preliminare per la localizzazione di un impianto nucleare strategico confronta due siti candidati: la penisola di Reykjanes (Islanda) e un settore sul basamento granitico della Meseta Central iberica. Un analista afferma: «Entrambe le zone presentano abbondanti rocce ignee e fanno parte della litosfera della placca eurasiatica, quindi la loro pericolosità geologica a lungo termine ($100.000\ \text{anni}$) è equivalente».

1. a) Confuta in modo fondato l'affermazione dell'analista, confrontando il contesto geodinamico (tipo di litosfera, regime termico, sforzi tettonici e vicinanza ai margini di placca) dei due luoghi.
2. b) Prevedi, con ragionamento, tre processi o rischi geologici che escluderebbero del tutto il sito islandese rispetto alla stabilità del blocco della Meseta.
3. c) La bassa sismicità della Meseta significa che al suo interno non esistono sforzi tettonici? Giustifica la tua risposta considerando la trasmissione intraplacca delle tensioni.

In un tratto della faglia di San Andrés, due stazioni GNSS (GPS geodetico) situate nella crosta a $15\ \text{km}$ da ciascun lato della traccia principale non hanno registrato spostamento relativo tra loro negli ultimi $160\ \text{anni}$. Tuttavia, stazioni regionali situate a più di $100\ \text{km}$ da entrambi i lati della faglia registrano un movimento relativo continuo e costante di $35\ \text{mm/anno}$. Inoltre, gli studi paleosismici mostrano che un conoide alluvionale quaternario di $40.000\ \text{anni}$ di età è spostato lateralmente dalla faglia per un totale di $1,4\ \text{km}$.

1. a) Interpreta l'apparente discrepanza tra l'assenza di movimento locale negli ultimi $160\ \text{anni}$ e la velocità regionale misurata dal GNSS applicando la teoria del rimbalzo elastico.
2. b) Verifica con calcoli se la velocità di spostamento geologico a lungo termine (dedotta dal conoide alluvionale) è coerente con la velocità istantanea attuale ottenuta dal GNSS.
3. c) Calcola il deficit di scorrimento accumulato sul piano di faglia bloccato durante quei $160\ \text{anni}$ e prevedi lo spostamento cosismico atteso se tutta quella deformazione elastica si rilasciasse di colpo in un solo terremoto.

Alle quote superiori del monte Everest, a più di $8.000\ \text{m}$ di altitudine, affiorano calcari marini fossiliferi ordoviciani e mesozoici (Formazione Qomolangma). Al di sotto, il massiccio è costituito da gneiss, scisti di alto grado e leucograniti cenozoici. Dati gravimetrici e di sismica profonda rivelano che la crosta continentale sotto il Tibet e l'Himalaya raggiunge uno spessore fino a $75\ \text{km}$, quasi il doppio della media continentale mondiale, senza che vi sia un arco vulcanico attivo associato.

1. a) Ricostruisci l'evoluzione geodinamica che spiega come rocce formate in un fondale marino poco profondo siano finite sulla vetta più alta del pianeta, indicando i diversi tipi di margini di placca che hanno agito successivamente nella regione.
2. b) Giustifica mediante il principio di isostasia la relazione esistente tra la radice crostale di $75\ \text{km}$ e la straordinaria elevazione topografica dell'orogene.
3. c) A differenza delle Ande, nell'Himalaya non si osserva magmatismo vulcanico attivo nonostante si tratti di una zona di intensa convergenza e sismicità. Giustifica dal punto di vista meccanico e termico questa assenza di vulcanismo.

Si analizza una sezione geofisica trasversale del margine pacifico sudamericano a $22^\circ\text{S}$. Si osservano i seguenti dati empirici:

1. Una fossa oceanica profonda con scarso riempimento sedimentario e litosfera oceanica di circa $45\ \text{Ma}$ che subduce con un'inclinazione di $30^\circ$ verso est.

2. Ipocentri sismici allineati che raggiungono profondità fino a $600\ \text{km}$.

3. Un arco vulcanico attivo a $280\ \text{km}$ a est della fossa, che emette lave prevalentemente andesitiche e daciti, ricche di volatili.

4. Una cintura di pieghe e sovrascorrimenti nell'avampaese orientale (zona subandina) con sovrascorrimenti che accorciano e ispessiscono la crosta continentale.

1. a) Interpreta l'origine termica e chimica del magma dell'arco: confuta l'idea intuitiva che il magma derivi dalla semplice fusione per attrito della crosta oceanica che subduce e spiega il ruolo fondamentale della disidratazione dei minerali idrati.
2. b) Giustifica perché il vulcanismo andino è prevalentemente andesitico-dacitico e altamente esplosivo, in contrasto con il vulcanismo effusivo basaltico delle dorsali medio-oceaniche.
3. c) Prevedi, con ragionamento, come evolverebbe la dinamica tettonica e magmatica del margine se il bacino oceanico si chiudesse completamente e un microcontinente situato sulla placca che subduce entrasse in collisione.

La catena Hawaii-Emperor presenta una morfologia sistematica: le isole del sud-est (come Hawaii) sono enormi vulcani a scudo emersi con quote fino a $4.200\ \text{m}$ ed età inferiori a $1\ \text{Ma}$. Verso nord-ovest, le isole si trasformano gradualmente in atolli corallini e, più a nord, in guyot (monti sottomarini a sommità piatta sommersi a più di $1.000\ \text{m}$ di profondità con età fino a $80\ \text{Ma}$). A $3.500\ \text{km}$ a nord-ovest delle Hawaii si trova il guyot Daikakuji, datato $47\ \text{Ma}$, nel punto esatto in cui l'allineamento cambia bruscamente orientazione (da NO-SE a N-S).

1. a) Spiega la sequenza di processi geologici (termici, isostatici e morfosedimentari) che trasformano un'isola vulcanica attiva in un guyot sommerso man mano che la litosfera si sposta allontanandosi dal punto caldo.
2. b) Calcola la velocità media di avanzamento della placca del Pacifico tra il momento attuale e la formazione del gomito di $47\ \text{Ma}$ fa, esprimendo il risultato in $\text{cm/anno}$.
3. c) Si discute se il «gomito» di Emperor rifletta un cambiamento brusco nella traiettoria cinematica della placca del Pacifico o il movimento proprio del pennacchio mantellico. Quale prova geologica verificabile (analizzando altre catene intraplacca coeve del Pacifico o mediante paleomagnetismo) permetterebbe di confermare se la direzione della placca sia cambiata?

Considera i seguenti dati geofisici medi sulla litosfera e sull'astenosfera:

• Litosfera oceanica appena creata alla dorsale: spessore $\approx 12\ \text{km}$; densità media $\approx 3,05\ \text{g/cm}^3$.

• Litosfera oceanica matura ($>60\ \text{Ma}$): spessore $\approx 100\ \text{km}$; densità media $\approx 3,35\ \text{g/cm}^3$.

• Litosfera continentale tipica: spessore $\approx 150\ \text{km}$; crosta di $35\ \text{km}$ (densità $\approx 2,75\ \text{g/cm}^3$) e mantello litosferico di $115\ \text{km}$ (densità $\approx 3,30\ \text{g/cm}^3$); densità media globale $\approx 3,17\ \text{g/cm}^3$.

• Mantello astenosferico superiore sottostante: densità $\approx 3,25\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Partendo dal principio di galleggiabilità e dai dati precedenti, giustifica perché una dorsale oceanica non può mai subdurre spontaneamente, mentre una litosfera oceanica vecchia può collassare e dare inizio a una subduzione.
2. b) Spiega perché la litosfera continentale non può subdurre in modo profondo e continuo nel mantello astenosferico e prevedi quale risposta meccanica manifesta quando un margine passivo continentale viene trascinato verso una fossa di subduzione.
3. c) Durante la subduzione, i basalti e i gabbri della crosta oceanica subiscono un metamorfismo di alta pressione e bassa temperatura trasformandosi in eclogite (densità $\approx 3,50\ \text{g/cm}^3$). Giustifica come questa trasformazione di fase incide sulla forza di trascinamento della placca (slab pull).

Analizzando la sismicità registrata in due diversi margini convergenti (Margine A: fossa di Tonga-Kermadec; Margine B: fossa del Perù-Cile a $32^\circ\text{S}$), si osservano le seguenti differenze:

• Nel Margine A, gli ipocentri si distribuiscono lungo un piano inclinato con un'immersione di $60^\circ$ che penetra in modo continuo fino a $680\ \text{km}$ di profondità.

• Nel Margine B, il piano di sismicità scende inizialmente con un angolo di $30^\circ$ fino a $100\ \text{km}$, poi diventa suborizzontale ($<10^\circ$) per centinaia di chilometri verso l'interno del continente e cessa completamente a profondità superiori a $150\ \text{km}$.

Inoltre, a livello planetario non si registra alcun terremoto a profondità superiori a $700\ \text{km}$, benché la tomografia sismica mostri che la litosfera fredda continui a sprofondare nel mantello profondo.

1. a) Giustifica a quali fattori fisici (età della placca oceanica, temperatura, velocità di convergenza o galleggiabilità) sono dovute le differenze osservate nell'inclinazione e nella profondità dei terremoti tra i due margini.
2. b) Spiega il cambiamento nel comportamento reologico dei materiali e le trasformazioni di fase mineralogiche che giustificano la scomparsa totale dei terremoti al di sotto di $700\ \text{km}$.
3. c) Se una stazione sismologica si trova nel Margine A a $180\ \text{km}$ di distanza dalla fossa verso l'arco, prevedi con ragionamento l'intervallo di profondità (superficiale, intermedia o profonda) in cui rileverà i terremoti provocati direttamente dalla placca in subduzione sotto i suoi piedi.

La mappa sismotettonica della penisola iberica mostra una marcata eterogeneità: nel settore Betico-Rifano e nell'arco di Gibilterra si concentra una sismicità continua con terremoti distruttivi periodici (come quelli di Arenas del Rey nel 1884 o di Lorca nel 2011), mentre l'interno della Meseta Centrale è considerato praticamente asismico. Tuttavia, le misure GNSS dimostrano che la placca africana avanza verso NO rispetto all'Eurasia a una velocità costante di $4\text{ a }5\ \text{mm/anno}$.

1. a) Giustifica perché il contatto geodinamico tra Eurasia e Africa nel sud dell'Iberia non si manifesta come un'unica faglia discreta o una fossa classica, ma come un «confine diffuso» di deformazione crostale largo centinaia di chilometri.
2. b) Nelle Cordigliere Betiche coesistono faglie trascorrenti e faglie inverse attive. Spiega meccanicamente la coesistenza di entrambi i tipi di faglie a partire dal regime compressivo obliquo indotto dalla cinematica delle placche.
3. c) Si può considerare che la probabilità che si verifichi un terremoto nell'interno della Meseta Centrale sia assolutamente nulla? Giustifica la risposta considerando la trasmissione intraplacca delle tensioni tettoniche e la riattivazione di faglie tardo-erciniche.