L'esistenza di masse continentali in rilievo rispetto al livello del mare è l'esito di una lunga storia determinata dalla dinamica delle zolle tettoniche

di S.Ross Taylor e Scott M. McLennan Le Scienze nr 331

Fatta eccezione forse per alcuni abitanti di isole remote, gli uomini hanno una naturale tendenza a considerare i continenti come una caratteristica fondamentale e permanente della Terra. Si dimentica facilmente come essi costituiscano masse disperse e isolate su un pianeta in gran parte ricoperta dalle acque. Ma, vista dallo spazio, l'immagine corretta della terra come pianeta azzurro diviene immediatamente chiara da questa prospettiva appare davvero straordinario che nel corso della sua lunga storia la terra sia riuscita a mantenere sempre emersa una piccola porzione della sua superficie, il che ha consentito tra l'altro l'evoluzione della vita terrestre.

Ma la persistenza di continenti di rilievo è un fatto puramente fortuito? Come ha avuto origine quella cosa complicata che è la cosa terrestre? E' sempre esistita, come la glassa di un <<dolce>> di dimensioni planetarie, o sì è evoluta attraverso i tempi geologici? Simili interrogativi hanno generato dibattiti pluridecennali fra gli scienziati, ma la storia - affascinante - di come la superficie terrestre abbia acquisito la sua forma attuale può dirsi essenzialmente chiarita. Queste conoscenze mostrano, e ciò è un fatto notevole, che le condizioni necessarie per la formazione dei continenti sulla terra potrebbero non avere riscontri nel resto del sistema solare. La Terra e Venere, essendo simili per diametro e distanza dal sole, sono spesso visti come pianeti gemelli. Di conseguenza normale chiedersi se la crosta venusiana sia confrontabile con quella terrestre. Per quanto le osservazioni con telescopi a terra non diano informazioni utili al proposito, a partire dal 1990 il radar della sonda spaziale Magellano ha penetrato la spessa coltre di nubi che cela Venere, mostrandone la superficie con eccezionale chiarezza. Dalle immagini dettagliate delle forme superficiali i planetologi sono in grado di avanzare ipotesi sul tipo di roccia che costituisce la crosta di Venere.

Il nostro pianeta gemello appare ricoperto di rocce di composizione basaltica, molto simili a quelle rocce scure e a grana fine che caratterizzano i bacini oceanici terrestri. La mappatura effettuata da Magellano, comunque, non ha rivelato aree estese e che si potessero dire analoghe della crosta continentale terrestre. Le regioni rilievo, denominate Aphrodite Terra e Isthar Terra, sembrerebbero relitti di lave basaltiche deformate. Su Venere si trovano ammassi cupoliformi di dimensioni più contenute, i quali potrebbero indicare come in alcuni luoghi il substrato roccioso abbia una composizione sostanzialmente diversa; è anche possibile che essi siano semplicemente costituiti da un'eccedenza di basalto. Dopo avere analizzato la mole di dati radar forniti da Magellano, i planetologi hanno concluso che sul  suolo di Venere non sembra essere attiva una tettonica delle zolle (vale a dire un meccanismo continuamente funzionante di produzione di nuova crosta, trasporto e distribuzione di vecchia crosta). Non esistono su questo pianeta chiari equivalenti delle estese dorsali medio-oceaniche o dei grandi sistemi di fossa presenti sulla Terra. È quindi poco plausibile che la crosta di Venere venga regolarmente riciclata nel mantello del pianeta. E neppure sembrerebbe ci sia molto bisogno di fare spazio a una nuova crosta: la quantità di lava che viene correntemente eruttata su Venere equivale circa alle emissioni di un solo vulcano delle Hawaii, il Kilauea, e ciò rappresenta evidentemente una inezia per il pianeta nel suo insieme. Le scoperte compiute su Venere e rilevamenti analoghi su altri corpi solidi del sistema solare mostrano che le croste planetarie possono essere opportunamente catalogate in tre tipi fondamentali. Le cosiddette croste primarie risalgono agli inizi del schema solare: essi formano quando grandi frammenti di materia primordiale caddero su un pianeta in accrescimento di energia stessa delle collisioni fece sì che il protopianeta fondesse. Al raffreddarsi della roccia fusa, cominciarono abbastanza precocemente a formarsi cristalli di alcuni tipi di minerali, i quali si segregarono dal resto del magma. Un simile processo, per esempio, generò probabilmente i bianchi altipiani lunari, quando grani di feldspato - minerale di

 bassa densità - si portarono (per differenziazione gravitativa) alla superficie del primordiale <<oceano>>  lunare di basalto fuso. La crosta di molti satelliti dei pianeti giganti esterni, composta da roccia mista a ghiaccio di acqua, di metano e di ammoniaca, può essere nata anch'essa da una funzione catastrofica avvenuto nel corso dell'accrescimento iniziale.

Le croste secondarie si formano non come conseguenza di improvvisi episodi fusione a grande scala, ma quando il calore generato dal decadimento di elementi radioattivi si accumula gradualmente in un corpo planetario. Un simile lento riscaldamento provoca la fusione di una piccola parte dell'interno roccioso del pianeta, fusione che a come normale conseguenza l'eruzione di lave basaltiche. Le superfici di Marte e Venere e di fondi oceanici terrestri sono ricoperti di croste secondarie prodotte in questo modo. I <<mari>> della luna sono anch'essi formati da lave basaltiche originatesi in profondità dell'interno lunare. Il calore prodotto dalla radioattività potrebbe avere generato croste secondarie anche in alcuni satelliti ghiacciati di pianeti del sistema solare esterno.

Le cosiddette croste terziarie possono formarsi qualora strati superficiali ritornino nel mantello di un pianeta geologicamente attivo. Come in una sorta di distillazione continua, il vulcanismo può quindi condurre alla produzione di magma altamente differenziato di composizione distinta da quella del basalto, più vicina a quella delle rocce granitiche dal colore chiaro. Dato che il processo di riciclaggio necessario a generare magmi granitici può svilupparsi solo su un pianeta dove sia operante una che tonica delle zolle, una simile composizione deve essere rara nel sistema solare. La formazione di crosta continentale sulla Terra potrebbe anche costituire un unicum. Nonostante il piccolo numero di esempi per ognuna delle tre categorie, sembra possibile stabilire una generalizzazione per la genesi delle superfici planetarie: esistono chiare differenze nella velocità di formazione delle croste primarie, secondarie e terziarie. La luna, per esempio, ha generato la sua bianca crosta primaria ricca in feldspati - che costituisce circa il 12% del volume lunare - in pochi milioni di anni. Le croste secondarie hanno un'evoluzione molto più lenta. I <<mari>> basaltici della luna (fatti di crosta secondaria) hanno uno spessore di poche centinaia di metri che costituiscono solo lo 0,1% del volume del nostro satellite. Per la loro formazione però è stato necessario un miliardo di anni un altro esempio di crosta secondaria è dato dei bacini oceanici basaltici del nostro pianeta (che costituiscono circa lo 0,1% della massa terrestre), formatisi in circa 200 milioni di anni. La generazione di crosta terziaria ha un'efficienza ancor minore. Sulla terra sono occorsi miliardi di anni per produrre crosta terziaria, cioè i continenti. Questi costituiscono nel complesso circa lo 0,5% della massa dell'intero pianeta.

 quelli della via lattea

Molti elementi per il resto assai rari sulla terra si ritrovano particolarmente concentrati nelle rocce granitiche, e questo fenomeno conferisce alla crosta continentale un'importanza che eccede le proporzioni della sua piccola massa. Tuttavia i geologi non sono finora riusciti a valutare la composizione complessiva della crosta - un punto di partenza necessario per qualunque studio sull'origine e sull'evoluzione della crosta stessa - per mezzo di osservazioni dirette. Una soluzione possibile consisterebbe nel compilare organicamente le descrizioni delle rocce che affiorano in superficie; ma anche questo pasto corpus di informazioni potrebbe rivelarsi insufficiente. Un programma di esplorazione su vasta scala in grado di raggiungere nella crosta profondità sufficienti a fornire campioni significativi forzerebbe i limiti delle attuali tecnologie di perfezione e avrebbe costi assolutamente proibitivi.

Fortunatamente è a portata di mano una soluzione più semplice. La natura ha già provveduto a eseguire un ampio campionamento attraverso i processi di erosione e di deposizione di sedimenti. I fanghi, una volta consolidati in roccia, forniscono una composizione media sorprendentemente attendibile della crosta continentale esposta. Questi campioni, però, hanno perso del tutto o in parte gli elementi che sono solubili in acqua, come il sodio e il calcio. Tra gli elementi insolubili che vengono trasferiti dalla crosta ai sedimenti senza alterazione delle abbondanze relative vi sono i 14 elementi delle terre rare. Essi hanno una utilità senza pari per decifrare la composizione crostale, da tutti i loro atomi non si adattano alla struttura cristallina dei minerali più comuni. Questi elementi tendono a concentrarsi nei prodotti granitici più tardivi del consolidamento di un magma.

Dato che la distribuzione delle terre rare in sedimenti di natura diversa e tende a mantenersi invariante, i geochimici suppongono che i processi di alterazione superficiale, erosione e sedimentazione riescano a mescolare i materiali provenienti da rocce ignee diverse in modo abbastanza efficiente da produrre un campione rappresentativo della crosta continentale nel suo complesso. Tutti gli elementi delle terre rare rappresentano un <<marchio>> della composizione della crosta superiore e conservano, nelle abbondanze degli elementi, una registrazione degli eventi ignei che possono avere influenzato la formazione della crosta. Utilizzando questi marcatori geochimici, i geologi hanno per esempio determinato la composizione della parte superiore della crosta continentale si avvicina a quella della granodiorite, una comune roccia ignea che consiste per lo più di quarzo e feldspati, di colore chiaro, e di una <<pepata>> di vari minerali scuri. Nelle profondità della crosta continentale, vale a dire oltre il 10-15 km sotto la superficie, diviene probabilmente comune roccia di composizione più basaltica. L'esatta natura di questo materiale rimane controversa, e i geologi stanno attualmente verificando le loro idee in proposito mediante misurazione del calore prodotto entro la crosta da alcuni isotopi radioattivi di potassio, uranio e torio. Ma sembra ragionevole ammettere che, almeno in parte, questa inaccessibile ed enigmatica regione possa consistere di basalto rimasto intrappolato al di sotto dei continenti, i quali hanno densità inferiore. È questa proprietà fisica delle rocce granitiche - la bassa densità - a spiegare perché i continenti, per la maggior parte, non siano sommersi. La crosta continentale si eleva in media di 125 m sul livello del mare, di circa il 15% delle aree continentali supera i 2 km di altitudine. Queste grandi elevazioni contrastano nettamente con le profondità dei fondi oceanici, che si trovano in media circa 4 km al di sotto del livello del mare: una diretta conseguenza del fatto di essere costituiti da densa crosta oceanica composta principalmente di basalto di una sottile copertura di sedimenti.

Alla base della crosta giace la cosiddetta discontinuità di Mohorovicic, o <<Moho>>. Questa superficie corrisponde a un drastico cambiamento in composizione, e si estende indifferentemente al di sotto di oceani e continenti: superata la Moho la roccia diviene estremamente densa e ricca di olivina. I geofisici, studiando la propagazione delle onde sismiche, hanno rintracciato la Moho in tutto il globo. Simili ricerche hanno anche indicato che il mantello al di sotto dei continenti può essere permanentemente solidale con ciò che lo sormonta. Questi <<zatteroni>> subcrostali relativamente densi possono arrivare uno spessore di 400 km e sembrano muoversi con i continenti nelle peregrinazioni di questi ultimi. Una conferma di questa teoria proviene dall'analisi di minute inclusioni trovate in diamanti si pensa siano originati in profondità di questa regione subcrostale. Le misurazioni effettuate mostrano che i diamanti possono risalire addirittura a 3 miliardi di anni fa, e ciò dimostra quanto antiche siano le radici continentali profonde.

E' curioso riflettere sul fatto che meno di 40 anni fa non vi era alcuna prova che le rocce che caratterizzano i bacini oceanici differissero in modo fondamentale da quelle reperibili sui continenti. Si pensava che gli oceani fossero semplicemente pavimentati da continenti sprofondati. Questa percezione discendeva abbastanza conseguentemente dal concetto che la crosta continentale fosse estesa a tutto il globo, in quanto formata una sorta di schiuma su un pianeta inizialmente fuso. Anche se attualmente sembra certo che la Terra fosse effettivamente fusa in una fase precoce della sua esistenza, pare che una crosta granitica primaria del tipo che si presumeva alcuni decenni or sono non sia di fatto mai esistita.

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Come è accaduto che due distinti tipi di crosta, continentale e oceanica, riuscissero a prodursi sulla Terra? Per rispondere a questa domanda, si deve considerare la storia iniziale del sistema solare. Nella regione della nebulosa solare primordiale occupata dall'orbita terrestre il gas veniva per lo più spazzato via dal vento solare, lasciando solo detti fiduciosi di dimensioni sufficienti per sopravvivere all'intensa attività del giovane Sole. Questi oggetti, a loro volta sviluppatisi per accrescimento, si annegarono infine a formare il nostro pianeta. Il processo dovette richiedere da 50 a 100 milioni di anni. In un momento tardivo di questa fase di formazione, un planetesimo di grande massa - forse dalle dimensioni di Marche - andò a collidere con la Terra ormai quasi interamente formata. Il mantello roccioso di questo corpo fu scagliato in orbita - e da esso si formò la luna - mentre il suo nucleo metallico cadde entro la Terra. Questo evento catastrofico provocò la totale fusione del pianeta. Quando la Terra più tardi si raffreddò e inizio a solidificare, formò probabilmente una prima crosta basaltica. È probabile che in questa fase la superficie terrestre avesse un aspetto simile a quello attuale di Venere. Di questa crosta primaria non è rimasta comunque la minima traccia. Resta incerto se essa sia andata in subduzione nel mantello o se invece si sia impilata in masse localizzate fino a diventare abbastanza spessa per trasformarsi in roccia più densa e poi sprofondare. In ogni caso, non vi sono prove dell'esistenza di una crosta granitica di qualche importanza in questa fase precoce. Tracce di una crosta di questo tipo dovrebbero essere sopravvissuti sotto forma di grandi dispersi di zircone, un minerale che si forma nel granito e che è enormemente resistente all'erosione. Sebbene siano stati trovati alcuni zirconi databili approssimativamente a quell'epoca (gli esempi più antichi provengono da rocce sedimentarie australiane e hanno circa 4, 2 mld di anni), questi grandi sono estremamente rari.

Maggiori informazioni sulla crosta primordiale provengono dalle più antiche rocce conservatesi fino a oggi. E se si formarono una grande profondità della crosta poco meno di 4 miliardi di anni fa il ora affiorano in superficie nel Canada nord-occidentale. Questa formazione rocciosa prende il nome di gneiss di Acasta. Esempi un poco più giovani di crosta primordiale sono stati documentati i numerosi siti sparsi in tutto il mondo, e la meglio studiata di queste formazioni si trova in Groenlandia occidentale. Qui l'abbondanza di rocce sedimentarie testimonia la presenza di dilavamento e l'esistenza già in epoca remota di quelli che probabilmente erano veri oceani. Ma anche queste rocce straordinariamente antiche del Canada e della Groenlandia risalgono 400-500 milioni di anni dopo l'accrescimento iniziale della Terra. La lacuna nella documentazione geologica fu senza dubbio causata da impatti di corpi meteoritici che distrussero in gran parte la più antica crosta terrestre. Dalle rocce sedimentarie i geologi sanno che la formazione della crosta continentale è stato un processo continuo nella lunga storia della Terra. Ma la generazione di crosta non ha sempre avuto lo stesso carattere. Per esempio, al passaggio tra Archeano e Proterozoico, circa 2, 5 mld di anni fa, si riscontra un netto cambiamento. Nella composizione della parte superiore della crosta prima di questa discontinuità entravano costituenti meno evoluti: una mescolanza di basalto e graniti ricchi di sodio. Queste rocce costituiscono la cosiddetta serie tonalite-trondjemite-granodiorite, o TTG. Una simile composizione è nettamente diversa da quella della crosta superiore attuale, che deve dominare i graniti ricchi in potassio.

La ragione del profondo cambiamento nella composizione costale avvenuto circa 2, 5 mld di anni fa sembra essere legata agli sconvolgimenti provocati dalla tettonica delle zolle. Prima di quell'epoca, la crosta oceanica veniva riciclata rapidamente, data l'esistenza di più alti livelli di radioattività che producevano una maggiore quantità di calore. Durante l'Archeano esistevano forse più di 100 zolle separate, mentre ora le zolle sono solo una decina. A differenza della crosta oceanica attuale, che fa un lungo tragitto e si raffredda notevolmente prima di riaffondare nel mantello, quella di allora sopravviveva per un tempo assai più breve. Essendo ancora relativamente calda al suo ritorno nel mantello, iniziava a fondere a profondità assai inferiori rispetto a quanto non faccia oggi. Questa differenza spiega la formazione di rocce ignee ricchi in sodio della serie TTG; tali rocce si formano attualmente solo in quei rari luoghi ove va in subduzione crosta oceanica di giovane  e quindi calda.

La tendenza del magma in quell'epoca a formarsi con una composizione TTG spiega perché la crosta si sia sviluppata durante l'Archeano come un insieme di basalto e tonalite. All'epoca emersero grandi porzioni della crosta continentale: almeno il 50%, con un episodio di crescita principale fra 3,0 e 2,5 miliardi di anni fa. Da allora, l'elevazione relativa dei bacini oceanici e delle piattaforme continentali è rimasta relativamente stabile.

All'inizio del Proterozoico, 2,5 miliardi di anni fa, la crosta aveva assunto molte delle sue caratteristiche attuali, e si era avviato il ciclo della tettonica delle zolle. Attualmente la crosta oceanica si forma dall'eruzione di lava basaltica lungo una rete di dorsali medio-oceaniche. Questo processo produce annualmente oltre i 18 km³ di roccia. Il lembo di crosta di nuovo formazione si sovrappone allo strato esterno del mantello e assieme a questo va a costituire la rigida litosfera.. La litosfera oceanica torna a inabissarsi nel mantello nelle zone di subduzione, dove il fondo oceanico è caratterizzato da profonde fosse. Qui il lembo discendente di litosfera trascina con sé nel mantello sedimenti marini umidi e basalto. Alla profondità di circa 80 km, il calore fa passare l'acqua e altri componenti volatili dai sedimenti subdotti alla sovrastante regione di mantello.. Queste sostanze riescono a indurre la fusione del materiale circostante a una temperatura inferiore al normale. Il magma prodotto in tal modo finisce col raggiungere la superficie, dove causa eruzioni esplosive e spettacolari.

 Il vulcanismo indotto dalla subduzione non è però la sola fonte di nuova roccia granitica. L'accumulo di calore in profondità nella stessa crosta continentale può causare fusione, e il magma così prodotto migra verso la superficie. Parte di questo calore può provenire dal decadimento di elementi radioattivi, ma una sorgente più probabile è il magma basaltico e risale da profondità ancora maggiori nel mantello e rimane intrappolato sotto il coperchio granitico. La roccia fusa può allora comportarsi come un bruciatore al di sotto di una padella.

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Per quanto i più drastici cambiamenti nel processo di formazione della crosta continentale si siano verificati finire dell'Archeano, 2,5 miliardi di anni fa, i continenti mostrano di aver subito episodici cambiamenti in tutto il corso dei tempi geologici. Per esempio, considerevoli accrescimenti tardivi della crosta continentale si ebbero da 2,0 a 1,7, da 1,3 a 1,1 e da 0,5 a 0,3 miliardi di anni fa. Se i continenti abbiano sperimentato un'evoluzione punteggiata di questo tipo può a prima vista sembrare controintuitivo. Perché mai, dopo tutto, la crosta dovrebbe formarsi in episodi discreti se la generazione di calore interno è un processo continuo?

Una visione più dettagliata della tettonica delle zolle aiuta a risolvere questo rompicapo. Durante il Permiano (circa 250 milioni di anni fa), i maggiori continenti si aggregarono in una enorme massa continentale denominata Pangea. Questo episodio non fu unico. La formazione di supercontinenti come questo sembra verificarsi a intervalli di circa 600 milioni di anni. Cicli tettonici in grado di frammentare e aggregare masse continentali sono stati documentati risalendo fino agli inizi del Proterozoico, e il più antico supercontinente potrebbe essersi formato persino prima, durante l'Archeano.

Simili cicli tettonici di grande scala servono a <<dare il tempo>> della crescita costale. Quando un supercontinente si frammenta, la crosta oceanica ha ormai raggiunto i limiti di vecchiaia ed è quindi più probabile che si formi nuova crosta continentale a mano a mano che quella oceanica va in subduzione. Quando i singoli continenti si riaggregano, gli archi vulcanici (le catene curve di vulcani che si generano nei pressi delle zone di subduzione) collidono con le piattaforme continentali. In questi episodi si costituisce nuova crosta, via via che le rocce dell'arco si aggiungono ai margini dei continenti. Per oltre quattro miliardi di anni i continenti hanno avuto un comportamento peripatetico: si sono aggregati e riframmentati più volte per assumere diverse configurazioni. Sepolte in ciò che rimane attualmente, giacciono le ultime testimonianze disponibili e la massima parte della storia del nostro pianeta. Per ricostruire questa storia, quasi ricomponendo i pezzi di un puzzle, è occorso tempo. Ma le conoscenze che abbiamo acquisito sull'origine della crosta terrestre e sulla sua evoluzione ci mostrano ora che - di tutti i pianeti - la Terra costituisce una vera eccezione. Per un fortunato caso della natura - la capacità di mantenere operante una tettonica delle zolle - solo il nostro pianeta è stato in grado di generare le considerevoli estensioni di crosta continentale cui ora noi possiamo vivere.

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