Esercizi: Il ciclo di Wilson

Che cos'è il ciclo di Wilson? Indica con quale processo geologico inizia e con quale evento termina.

Il Mar Rosso e l'Oceano Atlantico rappresentano fasi diverse del ciclo di Wilson. Indica quale dei due si trova in una fase più iniziale e giustifica la risposta.

Che cos'è un rift continentale e in quale tipo di margine tra placche si origina?

Quali due tipi di margini tra placche intervengono, rispettivamente, nell'apertura e nella chiusura di un oceano all'interno del ciclo di Wilson? Giustifica la risposta.

Che cos'è una dorsale oceanica e in quali fasi del ciclo di Wilson compare? Che tipo di roccia si genera in essa?

L'Atlantico è considerato un oceano «maturo». Cita due caratteristiche che giustificano questa definizione, come la sua larghezza o il tipo di margini che lo bordano.

Che cos'è un margine continentale passivo e in che cosa si differenzia da un margine attivo? Collega ciascun tipo a una fase del ciclo di Wilson.

Qual è l'età massima delle rocce del fondale oceanico attuale e perché non esistono fondali oceanici così antichi come i nuclei più vecchi dei continenti?

Le cinque vignette dello schema (a–e) mostrano, in disordine, cinque fasi del ciclo di Wilson. Mettile in ordine cronologico, dall'apertura di un rift alla formazione di una catena montuosa, e cita un esempio attuale per ogni fase.

L'Oceano Pacifico è il più esteso del pianeta e, tuttavia, è considerato un oceano «in regressione» nel ciclo di Wilson. Spiega che cosa avviene ai suoi margini che giustifica questa affermazione.

Quando la subduzione consuma completamente il fondale oceanico che separa due continenti, quale evento pone fine al ciclo e che tipo di rilievo si genera? Fai un esempio attuale.

La Rift Valley dell'Africa orientale mostra vulcanismo, fosse tettoniche e laghi allungati. Spiega quale fase del ciclo di Wilson rappresenta e che cosa potrebbe accadere se la distensione continuasse per milioni di anni.

Le ofioliti sono sezioni di crosta e mantello oceanici incorporate nelle catene montuose. Spiega che cosa sono, come sono arrivate sulla terraferma (obduzione) e che cosa dimostrano sull'esistenza di oceani scomparsi.

Un oceano si apre alla velocità di $3\ \text{cm/anno}$ per ciascun fianco per $60\ \text{Ma}$. Calcola la larghezza raggiunta al termine di questo periodo, espressa in chilometri, e commenta a quale oceano attuale si avvicinerebbe.

Nelle suture di antiche collisioni si descrivono mélange, ofioliti e rocce metamorfiche di alta pressione. Spiega che cos'è una zona di sutura e perché questi tre elementi rivelano un oceano chiuso.

Il Mediterraneo conserva una subduzione attiva in Calabria e nell'arco ellenico. Colloca questo mare nel ciclo di Wilson e spiega quali evidenze permettono di assegnargli questa fase.

Un gruppo di prospezione geologica cartografa all'interno di una massa cratonica continentale una fascia lineare di diverse centinaia di chilometri in cui coesistono:

1. Un allineamento di peridotiti serpentinizzate, gabbri bandati e lave a cuscino incassati tra sedimenti pelagici deformati.

2. Scisti blu ed eclogiti a granato che indicano metamorfismo di alta pressione e bassa temperatura ($P > 1,5\ \text{GPa}$, $T < 450\ ^\circ\text{C}$).

3. Ai due lati di questa banda, rocce sedimentarie di piattaforma continentale poco profonda con fossili marini paleozoici appartenenti a province biologiche completamente diverse e senza connessione tra loro.

1. a) Dimostra, ragionando a partire da ciascuna di queste tre evidenze, perché questo allineamento rappresenta una zona di sutura fossile corrispondente alla chiusura completa di un ciclo di Wilson (come negli Urali o negli Appalachi) e non una semplice frattura intraplacca o un rift continentale incipiente.
2. b) Ricostruisci la cronologia relativa dei processi tettonici avvenuti in questa regione, spiegando quali ulteriori dati (per esempio, la posizione di resti di un arco magmatico o di un prisma di accrezione rispetto alla sutura) permetterebbero di stabilire la polarità iniziale della subduzione e analizzando il ruolo della galleggiabilità della litosfera nel completamento dell'orogene.

Si analizzano due sondaggi nella crosta oceanica dell'Atlantico settentrionale lungo un profilo perpendicolare alla dorsale medio-atlantica:

• Sondaggio A ($600\ \text{km}$ a ovest dell'asse): crosta basaltica datata $40\ \text{Ma}$, coperta da $250\ \text{m}$ di sedimenti pelagici.

• Sondaggio B ($1\,800\ \text{km}$ a ovest dell'asse, presso il margine passivo nordamericano): crosta basaltica datata $150\ \text{Ma}$, coperta da $3\,200\ \text{m}$ di sedimenti.

Uno studente afferma che, poiché la crosta in B è quasi quattro volte più vecchia che in A, il tasso di espansione del bacino deve essere quadruplicato negli ultimi $40\ \text{Ma}$.

1. a) Valuta criticamente l'affermazione dello studente calcolando e confrontando i tassi medi di semiespansione negli intervalli $0-40\ \text{Ma}$ e $40-150\ \text{Ma}$. La dinamica di apertura si è mantenuta approssimativamente costante?
2. b) Giustifica perché lo spessore sedimentario in B è più di dodici volte superiore a quello di A (non proporzionale alla sola età), mettendolo in relazione con la subsidenza termica della litosfera oceanica man mano che matura nel ciclo di Wilson.
3. c) Nel margine B la litosfera oceanica è già più densa dell'astenosfera sottostante. Perché non subduce spontaneamente in modo immediato? Spiega quale soglia meccanica deve essere superata per passare alla fase di chiusura.

Il Mar Mediterraneo viene solitamente classificato nel ciclo di Wilson come un bacino in fase di senescenza o di regressione terminale. Tuttavia, i dati geodinamici attuali mostrano un'apparente contraddizione:

1. Nel Mediterraneo orientale persistono relitti di litosfera oceanica mesozoica che si consumano nella fossa Ellenica.

2. Nel Mediterraneo occidentale (Mar Tirreno e bacino Balearico) esistono piccoli bacini con crosta oceanica molto giovane (minore di $10\ \text{Ma}$) e assottigliamento litosferico attivo.

3. La convergenza tra Africa ed Eurasia è molto lenta (appena $4-5\ \text{mm/anno}$ verso NO).

1. a) Risolvi l'apparente paradosso: come possono coesistere l'apertura di bacini oceanici di retroarco e un contesto globale di chiusura e convergenza continentale?
2. b) Prevedi l'evoluzione geodinamica del Mediterraneo nei prossimi $50\ \text{Ma}$: descrivi che cosa accadrà ai relitti oceanici e ai bacini marginali e quale tipo di orogene risulterà dalla collisione finale tra il Nord Africa e il Sud Europa.
3. c) Quali tipi di rocce e quali strutture tettoniche ti aspetti di trovare nel futuro orogene come testimoni dell'antico fondale oceanico e dell'attuale arco vulcanico eoliano?

Il profilo geologico trasversale di un tipico margine continentale atlantico rivela la seguente sovrapposizione tettono-stratigrafica:

• Alla base, faglie normali listriche che delimitano blocchi basculati (semigraben) riempiti da serie continentali rosse ('red beds') ed evaporiti del Triassico superiore-Giurassico inferiore.

• Sopra, sigillando le faglie e ricoprendo in discordanza sia i blocchi continentali sia la crosta oceanica basaltica adiacente, si dispone un potente cuneo di sedimenti marini silicoclastici e carbonatici non deformati del Cretacico e del Cenozoico.

1. a) Deduci a quali fasi del ciclo di Wilson corrispondono la sequenza sedimentaria basale ('syn-rift') e la sequenza superiore ('post-rift' o 'drift'), giustificando quali cambiamenti nel regime termico e nello stato di sforzo spiegano tale transizione.
2. b) Un modello geodinamico prevede che nei prossimi $30\ \text{Ma}$ questo margine passivo si trasformi in un margine attivo per subduzione spontanea. Discuti la fattibilità meccanica di questo processo: quali forze resistenti impediscono la rottura litosferica e in quale zona precisa del margine è più probabile che la placca si disaccoppi per dare origine a una subduzione?
3. c) Prevedi la sequenza di eventi tettonici, magmatici e metamorfici che subirebbe questo margine se si instaurasse una zona di subduzione con vergenza verso il continente prima della collisione finale.

In una sezione trasversale delle Alpi Centrali e Occidentali si identificano tre grandi insiemi tettonici sovrapposti sotto forma di falde di ricoprimento:

1. Alla base, lamine di crosta continentale europea deformata con metamorfismo di pressione intermedia.

2. Sovrascorsa sulla crosta europea, un complesso di scisti verdi, scisti blu ed eclogiti con peridotiti serpentinizzate e metaradiolariti.

3. Alla sommità, sovrascorrimenti con rocce continentali provenienti dal microcontinente di Apulia (promontorio africano).

1. a) Interpreta l'origine dell'insieme intermedio: perché coesistono rocce in facies eclogitica (alta pressione e bassa temperatura) con sequenze di affinità oceanica, e quale fase del ciclo di Wilson documentano?
2. b) Giustifica perché nella catena alpina non esiste attualmente vulcanismo attivo di subduzione (a differenza delle Ande), deducendo in quale momento esatto del ciclo di Wilson si trovano oggi le Alpi.
3. c) Poiché la litosfera oceanica è densa e tende a sprofondare nel mantello, spiega con quale meccanismo fisico frammenti dell'antico fondale della Tetide sono riusciti a salire a oltre $3\,000\ \text{m}$ di altitudine nella catena invece di essere subdotti completamente.

Sotto una catena di collisione recente di $4\,000\ \text{m}$ di altitudine media, i profili di sismica a rifrazione collocano la discontinuità di Mohorovičić a $65\ \text{km}$ di profondità. Nel cratone adiacente non deformato, il Moho si trova a $35\ \text{km}$ e il rilievo è a livello del mare. Considera densità medie costanti di $\rho_c = 2\,700\ \text{kg/m}^3$ per la crosta e $\rho_m = 3\,300\ \text{kg/m}^3$ per il mantello litosferico.

1. a) Applica il principio di isostasia di Airy per verificare se la catena è in equilibrio isostatico. Calcola analiticamente quale radice crostale ($r$) richiederebbe un rilievo di $4\,000\ \text{m}$ e confronta lo spessore crostale teorico totale con quello osservato sismicamente.
2. b) Nei successivi $40\ \text{Ma}$, l'erosione rimuove uno spessore di roccia superficiale di $3\,000\ \text{m}$. Considerando solo la risposta isostatica di Airy a questo scarico, senza includere il riaggiustamento dell'eccesso di radice rilevato nel primo punto, dimostra perché la catena non perderà $3\,000\ \text{m}$ di altitudine media: calcola il valore del rimbalzo isostatico compensatore e l'altitudine finale risultante.
3. c) Spiega quali conseguenze petrologiche e strutturali ha questo processo a lunghissimo termine sulla radice orogenica: quali rocce e quali facies metamorfiche affioreranno quando la catena sarà ridotta a una penepiano?

Una nave oceanografica registra anomalie magnetiche e profili batimetrici lungo un transetto di $900\ \text{km}$ da una dorsale oceanica fino alla scarpata continentale di un bacino privo di fosse oceaniche. I dati rivelano:

1. Il tasso medio di semiespansione alla dorsale è stato costante e pari a $1,5\ \text{cm/anno}$.

2. A $900\ \text{km}$ dall'asse, la litosfera oceanica ha un'età calcolata e uno spessore termico di $90\ \text{km}$, essendosi raffreddata fino ad acquisire una densità superiore a quella dell'astenosfera sottostante.

3. Il contatto tra la crosta oceanica e quella continentale non presenta sismicità né deformazione da taglio.

1. a) Calcola l'età della crosta al contatto e deduci in quale fase del ciclo di Wilson si trova il bacino, giustificando perché l'assenza di fosse non contraddice il fatto che la litosfera oceanica sia già gravitativamente instabile.
2. b) Supponi che gli sforzi compressivi intraplacca inducano la rottura del margine e l'inizio della subduzione. Prevedi i cambiamenti successivi che si registreranno nella batimetria del margine, nel regime termico e nello stile di deformazione della crosta continentale adiacente.
3. c) Come varierà la velocità netta di spostamento della placca oceanica a partire dal momento in cui l'estremità litosferica fredda penetra in profondità nell'astenosfera? Giustificalo confrontando le forze di spinta della dorsale ('ridge push') e di trascinamento della placca ('slab pull').

Confronta due settori convergenti del margine dell'Oceano Pacifico:

• Settore A (Fossa delle Marianne): subduce litosfera oceanica giurassica ($\approx 160\ \text{Ma}$); fossa vicina a $11\,000\ \text{m}$; angolo del piano di Benioff $>70^\circ$; sismicità di accoppiamento moderata e bacino di retroarco in estensione attiva con litosfera oceanica nuova.

• Settore B (Fossa del Cile centrale): subduce litosfera oceanica miocenica ($\approx 20\ \text{Ma}$); fossa di $8\,000\ \text{m}$; angolo di Benioff di $20^\circ-30^\circ$; megaterremoti di contatto interplacca e un orogene continentale elevato con forte compressione.

1. a) Giustifica come l'età e la densità termica della placca che subduce determinano le differenze nell'angolo del piano di Benioff, nella profondità della fossa e nel regime tettonico del retroarco tra i due settori.
2. b) Spiega l'esatto meccanismo termodinamico che innesca la fusione parziale nel mantello superiore sotto l'arco di isole delle Marianne, confutando l'idea errata che «il magma derivi dalla fusione per attrito della crosta oceanica in subduzione».
3. c) A partire dal bilancio tra la creazione di litosfera nelle dorsali pacifiche e la sua distruzione nei margini convergenti che lo delimitano, giustifica perché il Pacifico esemplifica la fase di regressione del ciclo di Wilson e prevedi la riorganizzazione paleogeografica globale quando il suo bacino sarà consumato.