Un superpennacchio alla metà del Cretaceo

La Terra ha un  <<battito cardiaco>> irregolare, che può provocare la risalita di enormi quantità di materiale dalle sue profondità; l'ultimo impulso di questo tipo avvenne circa 120 milioni di anni fa.

di: Roger L. Larson da lLe Sienze nr 320

All'una di notte in punto,  il 13 dicembre 1989, fui svegliato nella mia cabina a bordo della nave scientifica da perforazione JOIDES Resolution da rumori di festeggiamenti che provenivano dalla cabina attigua. Dato che alle quattro avrei comunque dovuto iniziare il mio turno, mi alzai per unirmi alla festa. I paleontologi della spedizione avevano appena riferito a Yves Lancelot, che dirigeva con me la crociera, di aver trovato microfossili giurassici in un foro di sonda nel fondo del Pacifico occidentale, a quasi 5000 m di profondità. Due giorni più tardi il foro raggiunse il basamento cristallino: crosta oceanica risalente al giurassico medio, vale a dire circa 165 milioni di anni fa. Un mistero vecchio di vent'anni era giunto a soluzione. Finalmente avevamo una solida prova del fatto che vi sono sedimenti di mare profondo e rocce vulcaniche ancora in posto dopo intere ere geologiche.

Nei giorni successivi mi dedicai e riflettere sul perché la ricerca avesse richiesto tanto tempo. Insieme con i miei colleghi Clement G. Chase dell'Università dell'Arizona, Walter C. Pitman III del Lamont Geological (Earth) Observatory e Thomas W. C. Hilde della Texas A&M University, avevo cominciato ad affrontare il problema negli anni 70. Il nostro bersaglio non era certo di piccole dimensioni. Avevamo previsto, in base ai dati geofisici, che un'area del Pacifico occidentale delle dimensioni degli Stati Uniti continentali dovesse risalire al giurassico, vale a dire fra 145 e 200 milioni di anni fa. Ma ogniqualvolta che effettuavamo dragaggi o carotaggi in quell'area, quasi invariabilmente venivano recuperati basalti formati da eruzioni vulcaniche avvenute a metà del cretaceo e quindi di età compresa fra 80 120 milioni di anni. I primi campioni di questi basalti erano stati dragati nel 1950 dai rilievi medio-pacifici a opera di una spedizione della Scripps Institution of Oceanography. Fino la scoperta della JOIDES, comunque, non si erano realizzati molti progressi nel rispondere ai quesiti sull'origine dei basalti della metà del cretaceo, a quanto pareva onnipresenti, uno sulla possibile esistenza di materiale giurassico sottostante. La scoperta del 1989 e forniva qualche risposta di tipo qualitativo. I più antichi sedimenti e la più antica crosta oceanica erano stati sepolti a metà del cretaceo da ciò che ora designamo come un <<superpennacchio>> di materiale vulcanico. Finalmente, le nostre elucubrazioni geofisiche dei primi anni 70 potevano trovare riscontro in fatti concreti: esisteva il giurassico nel Pacifico occidentale, e di esso avevamo campioni a bordo della JOIDES Resolution. Essendo io un geofisico, e da descrivere la terra e i suoi processi in modo quantitativo. Volevo quindi determinare le dimensioni di questo superpennacchio, sperando così di ricavare indizi sulle sue origini. Ma, come dice il proverbio, tra il dire e fare... Che cosa si trattava di misurare e in che modo? Io non sapevo neppure come fosse un episodio di pennacchio cosiddetto normale. Come potevo dunque sperare di descriverne uno anomalo? Il problema doveva essere ampliato al di là del contesto spaziotemporale del Pacifico occidentale a metà del cretaceo. Decisi di studiare la velocità di formazione della crosta oceanica - costituita principalmente da rocce vulcaniche come i basalti, che formano il basamento cristallino al di sotto del fondo oceanico - per tutti i bacini oceanici per tutto il corso della loro storia. In questo modo l'anomalia, quale che ne fosse la natura, si sarebbe stagliata nettamente dallo sfondo. Inoltre si sarebbero potute ottenere indicazioni sul tempo che ancora ci separa dalla comparsa di un superpennacchio prossimo venturo. Verso la metà del cretaceo, un'estesa attività eruttiva coprì o per creò molto rapidamente ampie porzioni del fondo oceanico. Normalmente l'espansione dei fondi oceanici genera buona parte della crosta oceanica in maniera più lenta e regolare. In questo processo la crosta diviene simmetricamente più antica via via che ci si allontana dalla dorsale medio-oceanica, laddove il magma proveniente dal mantello fuoriesce e solidifica. A mano a mano che nuovo magma continua a fuoriuscire, la crosta oceanica già solidificata viene spinta via dal centro di eruzione e si allontana dalla dorsale. È come se due nastri trasportatori identici spostassero in senso opposto ogni porzione idealmente puntiforme di crosta. Le parti di fondo oceanico formate dall'espansione, le cosiddette piane abissali e zone di frattura che decorrono perpendicolarmente alle dorsali medio-oceaniche. Tuttavia il Pacifico occidentale e non mostra nulla di tutto ciò. La sua fisiografia rammenta piuttosto una strada sterrata in un periodo di grandi piogge. Le catene di vulcani sottomarini, in apparenza orientate a caso e più elevate del normale, e i plateau oceanici che costituiscono il fondo del Pacifico occidentale non presentano regolare gradienti di età. La sua caratteristica in comune è la datazione a metà del cretaceo, almeno per quanto ci è possibile misurare.

Il primo passo della mia ricerca consisteva nel misurare le variazioni della velocità di produzione della crosta oceanica. Per fare ciò, ho raccolto e ordinato le informazioni disponibili sulla superficie e sull'età  del fondo oceanico e ho stimato lo spessore della crosta. Sono riuscito a calcolare questa velocità per gli ultimi 150 milioni di anni, risalendo quindi quasi al limite estremo di età dei bacini oceanici di tutto il mondo. Questi calcoli sulla produzione crostale complessiva mostrano nettamente l'esistenza di un superpennacchio alla metà del cretaceo.

I dati relativi alla terra nel suo complesso mostrano l'improvviso instaurarsi del pennacchio tra 120 e 125 milioni di anni fa, quando la formazione della crosta oceanica raddoppiò in circa 5 milioni di anni. La produzione di nuova crosta ebbe un picco subito dopo l'inizio dell'impulso e iniziò a scemare più o meno ordinatamente nei successivi 70-80 milioni di anni. Essa tornò, 30-40 milioni di anni fa, a valori quasi uguali a quelli precedenti l'episodio. Il superpennacchio della metà del cretaceo, quanto la produzione di crosta oceanica, spicca nettamente a scala globale. Il fatto di averne appurato l'esistenza, tuttavia, non dice perché il suo sia avvenuto.

Ho pensato che la chiave del rompicapo potesse risiedere nella genesi dei plateau oceanici e delle catene vulcaniche  sottomarine. A metà del cretaceo e la velocità di formazione di queste strutture si impennò in concomitanza con l'aumento globale della produzione di nuova crosta, con lo stesso inizio repentino e una lunga, graduale diminuzione fino ai valori normali. Benché l'incremento nella formazione dei rilievi sottomarini sia stato in assoluto  quello della crosta oceanica a livello globale, l'aumento relativo fu molto più pronunciato. Mentre la produzione totale di crosta oceanica raddoppiò, quella dei plateau e dei rilievi sottomarini aumentò di 5 volte. Ma che cosa dà origine a questi i plateau sommersi e alle catene di vulcani sottomarini? Indipendentemente, altri ricercatori si sono convinti che essi si siano originati da pennacchi di materiale proveniente da grandi profondità i quali, surriscaldati, risalgono per spinta idrostatica, data la loro minore densità. In particolare i plateau oceanici sono il risultato delle imponenti e rapide eruzioni iniziali causate dalla risalita dei pennacchi. Tali risalite avvengono occasionalmente sui continenti, dove possiamo studiarle direttamente. Regioni come i basalti del Paranà in Brasile, i Trappi del Deccan in India occidentale e i Trappi della Siberia si presentano come vasti campi di flussi basaltici, estesi per centinaia di chilometri e di spessore compreso tra 1 e 2 chilometri. I plateau oceanici hanno caratteristiche simili a quella dei loro affini continentali, ma sono ancora più vasti. Per esempio, si stima che il maggiore dei plateau oceanici (il plateau di Ontong Giava del Pacifico occidentale) sia 25 volte più vasto del più grande tra i plateau continentali ( i Trappi del Deccan). Le catene sottomarine si dipartono dai plateau e sono formate da materiale situato dietro e al di sotto della testa del pennacchio in risalita. Dato che i pennacchi sono relativamente fissi e le sovrastanti zolle tettoniche si spostano in orizzontale, la serie di coni eruttivi delle catene testimonia il movimento delle zolle. Pertanto queste catene montuose dovrebbero essere più antiche nelle parti vicine ai plateau oceanici loro <<genitori>>, e i vulcani che le costituiscono dovrebbero essere progressivamente più giovani via via che dai plateau ci si allontana. Alla fine della catena ci si dovrebbe attendere un vulcano attivo, sempre che il cammino di alimentazione proveniente dal mantello non abbia cessato la sua attività. La più nota di queste catene è costituita dall'arcipelago delle Hawaii, che si prolunga sotto l'oceano molto a nord-ovest delle isole stesse. Il pennacchio che l'ha originata si trova attualmente al di sotto dell'isola di Hawaii, dove continuano a verificarsi eruzioni vulcaniche. Le isole e i rilievi sottomarini divengono progressivamente più vecchi via via che ci si sposta verso nord-ovest, in quanto sono solidali alla zolla del Pacifico che si muove in quella direzione rispetto al pennacchio, relativamente fisso.

Una volta compreso che le strutture della crosta oceanica più interessate dall'attività vulcanica a metà del cretaceo erano il prodotto di pennacchi di materiale del mantello, una questione di un piccolo passo logico supporre che l'intero episodio anomalo fosse dovuto a un'attività di pennacchio molto più imponente di quella <<normale>>. Vivendo in una società avvezza all'uso di superlativi, o deciso di coniare al proposito il termine di <<superpennacchio>>. L'impulso iniziale del superpennacchio raggiunse la superficie della terra circa 120 milioni di anni fa; l'intensa attività vulcanica iniziò improvvisamente verso la metà del cretaceo e si protrasse per decine di milioni di anni, di che iniziò a scemare gradualmente.

Pennacchi surriscaldati

L'episodio di superpennacchio o con ogni probabilità causato dalla risalita di uno o forse più enormi pennacchi, che si fecero strada nel mantello, si allargarono alla base del più rigido guscio esterno della terra, la litosfera, e un fuoriuscirono sul fondo oceanico. Per quanto il Pacifico sia stato il bacino di gran lunga più interessato, tracce dell'evento si possono riscontrare anche nell'Oceano Indiano, nel Atlantico meridionale e del mar delle Antille. L'area del Pacifico coinvolta si estendeva forse per diverse migliaia di chilometri, a differenza delle regioni interessate attualmente dei pennacchi, che sono circa 10 volte più piccole. Ritengo che i pennacchi surriscaldati risalgano dalla base del mantello e influenzano il processo che causa l'inversione del campo magnetico terrestre nel sottostante nucleo esterno. Esiste in generale una relazione inversa fra velocità di produzione della crosta formata dai pennacchi e frequenza delle inversioni del campo magnetico terrestre. Per esempio, nei periodi di intensa attività di pennacchio, inclusa la metà del cretaceo, quasi non si registrano inversioni del campo magnetico. Viceversa quando l'attività di pennacchio è bassa, come oggi, le inversioni magnetiche si verificano con una frequenza molto alta. Come il campo magnetico terrestre inverta la propria polarità è un mistero. Peter L. Olson della Jhons Hopkins University e io pensiamo che la correlazione tra la formazione di crosta e le inversioni del campo magnetico possa offrire gli elementi per comprendere in che modo abbiano luogo inversioni e per stabilire la fonte del materiale che costituisce il pennacchio. Riteniamo che un incremento del <<tasso di ebollizione>> del nucleo possa far sì che le inversioni magnetiche diventino meno frequenti. Questa correlazione potrebbe fornire informazioni sui tempi del superpennacchio prossimo venturo. Il ferro fuso del nucleo esterno e quasi certamente all'origine del campo magnetico terrestre, dato che si tratta di un eccellente conduttore di corrente elettrica. Sono i moti convettivi del nucleo esterno e i campi elettrici ad essi associati a generare il campo magnetico terrestre. Il calore ceduto dal ferro fuso si trasmette per conduzione attraverso il limite nucleo-mantello che costituisce, per così dire, il coperchio della pentola. Il calore rimane intrappolato appena al di sopra del confine, nel 100-200 km più profondi di roccia silicatica solida del mantello. Questo processo continua fino a che non si accumula abbastanza calore eccesso. A questo punto la spinta di galleggiamento del materiale del mantello inferiore, che essendo surriscaldato e relativamente meno denso, vince la viscosità della più densa roccia sovrastante. Immani pennacchi di materiale del mantello risalgono per quasi 3000 km, e alla fine del loro percorso scatenano eruzioni vulcaniche in superficie. Il materiale ascendente sottrae calore dalle parti più profonde del mantello, permettendo al nucleo esterno di <<bollire>> anche più vigorosamente che in precedenza.

Il più recente di questi sconvolgimenti ebbe inizio appunto tra 120 e 125 milioni di anni fa. Molto del materiale che giunse in superficie a quell'epoca produsse l'effetto di <<strada fangosa>> che si può osservare attualmente sul fondo del Pacifico occidentale. Un episodio di questa portata, in grado di raddoppiare in un breve periodo la velocità globale di produzione della crosta oceanica, deve avere avuto conseguenze geologiche sbalorditive. All'epoca fu in effetti caratterizzato da un gran numero di profonde anomalie, provocate appunto dal superpennacchio. Prima fra tutte le anomalie, e probabilmente la meno controversa, è la risalita del livello marino di oltre 250 m rispetto all'attuale. Assumendo che la quantità totale di acqua degli oceani sia costante, una risalita del livello della superficie marina è semplicemente la conseguenza di una corrispondente sopraelevazione del fondo. L'oceano che sormonta crosta di recente formazione è relativamente poco profondo, in quanto la crosta e la litosfera sottostante sono ancora caldi, poco dense ed espanse. Nel raffreddarsi, esse si contraggono, facendo sì che l'oceano aumenti di profondità. Questo fenomeno di espansione e contrazione e spiega perché le dorsali medio-oceaniche, dove si ha la formazione di nuova crosta, risultino rilevate rispetto la crosta più antica e più profonda e lontana da esse. Se si va formando rapidamente una normale quantità di nuova crosta - così come accadde agli inizi dell'episodio di superpennacchio -Allora il livello medio del fondo oceanico andrà elevandosi, e con esso il livello della superficie marina. A metà del cretaceo l terraferma l'incremento del livello marino sommerse  gran parte di ciò che attualmente è terra ferma; per esempio il luogo in cui sono nato, nello Iowa, era a quell'epoca coperto dal mare. Quando le acque regredirono, lasciarono sul posto di depositi calcarei e gessosi, tra cui le celebri <<bianche scogliere>> di Dover, in Inghilterra.

Anche la temperatura globale ebbe un incremento in conseguenza dell'episodio di superpennacchio. Quando il magma raggiungere la superficie, libera una certa quantità di gas, tra cui anidride carbonica. Alti livelli di anidride carbonica nell'atmosfera nella metà del cretaceo provocarono un effetto serra naturale, che fece innalzare la temperatura media di circa 10 °C. Lo studio degli effetti di elevati livelli di anidride carbonica durante questo periodo permette forse di tratteggiare possibili scenari per il clima della terra nel futuro: il consumo intensivo di combustibili fossili e la deforestazione su vasta scala continuano infatti a incrementare a livelli di anidride carbonica dell'atmosfera attuale. A metà del cretaceo andò anche depositandosi una notevole quantità di carbonio organico e di carbonati questo fenomeno è da porre in relazione agli incrementi suddetti del livello marino e della temperatura atmosferica minuscoli organismi vegetali e animali, il fitoplancton e lo zooplancton, vivevano negli strati più superficiali dell'oceano, dove poteva penetrare la luce. A quanto pare, il plancton ebbe un vigoroso sviluppo in un oceano reso anormalmente caldo dal riscaldamento atmosferico. Quando questi organismi muoiono, i loro scheletri cadono nelle acque profonde e si dissolvono rapidamente per l'altissima pressione; in quel periodo però molti organismi affondarono nelle acque poco profonde che ricoprivano i continenti. Così, il carbonio che costituiva gli scheletri non si sciolse. Parte di esso andò a costituire formazioni calcaree, parte fu sepolta più in profondità e finì con l'essere trasformata in petrolio. Il petrolio allora generato costituisce fino al 50% delle riserve mondiali. Per ironia della sorte, fu quell'episodio di riscaldamento globale a creare il combustibile che a sua volta avrebbe causato un altro episodio di effetto serra, questa volta non naturale. Anomalie geologiche associate al superpennacchio provocarono inoltre la messa in posto di una considerevole percentuale dei giacimenti di diamanti terrestri. I diamanti, come è noto, sono fatti di soli atomi di carbonio strutturati nella disposizione cristallografica più densa possibile, quale si può produrre solo alle pensioni esistenti 200-300 km al di sotto della superficie terrestre i diamanti sono per la maggior parte antichi anche rispetto alla scala dei tempi geologici, essendosi formati oltre un miliardo di anni fa ma, secondo Stephen E. Haggerty dell'università del Massachusetts ad Amherst, molti di essi furono portati in superficie a metà del cretaceo. Essi furono trasportati all'interno di strutture vulcaniche denominate canini kimberlitici (dal nome dell'area estrattiva di Kimberly, in sud Africa), che si estendono in profondità nella crosta presumibilmente nel mantello superiore. La formazione di gran parte delle catene montuose che contornano le coste occidentali di Nord e sud America fu fortemente condizionata dall'episodio di superpennacchio. La Sierra Nevada, nel Nord America occidentale, e le Ande, nel sud America occidentale, si originarono a metà del cretaceo a causa di una più rapida subduzione della zolla del Pacifico al di sotto dei continenti nord- e sudamericano. La subduzione avviene a ridosso dei continenti quando la litosfera oceanica viene spinta al di sotto della massa continentale adiacente e finisce per essere riciclata nel mantello sottostante. Si rammenti che, a causa dei pennacchi, l'espansione del Pacifico ebbe un drastico incremento. Se il diametro della terra rimane costante, il materiale in subduzione deve bilanciare quello che risale: di conseguenza anche la velocità di subduzione ebbe un incremento. Quantità abnormi di crosta vennero spinte in profondità al di sotto dei margini occidentali di Nord e sud America. Via via che la crosta, insieme con i sedimenti oceanici, scendeva per centinaia di chilometri al di sotto della superficie terrestre, i minerali a più basso punto di fusione diventavano semiliquidi per l'incremento di temperatura e pressione. Anche parte della crosta continentale fondeva per il calore dovuto all'attrito. Questa combinazione di rocce fuse iniziò a sua volta a salire verso la superficie, data la sua minore densità, e finì per solidificare formando i nuclei granitici delle catene montuose che costituiscono la spina dorsale della costa occidentale delle Americhe.

Il prossimo impulso

Gran parte della storia della terra è controllata da eventi che hanno origine a grande profondità, circa 3000 km sotto di noi. In questo articolo ho presentato solo alcuni dei processi dinamici che causano l'occasionale risalita di materiale dal limite nucleo-mantello. Il più recente di questi impulsi ha alterato profondamente il clima e l'assetto superficiale della terra e la formazione di combustibili fossili e di minerali. Solo ora stiamo iniziando a cercare tracce di episodi superpennacchio ancora precedenti, e si discute animatamente sul ritmo dell'antico <<battito cardiaco>> terrestre. Il nostro pianeta ha evidentemente <<smaltito>> gli effetti del più recente evento di superpennacchio, ma quando si verificherà il prossimo è materia di speculazione. Durante gli ultimi 40 milioni di anni, la formazione di plateau oceanici e di catene vulcaniche e sottomarine ha avuto un incremento molto più lento che in precedenza. Il livello del mare sceso quasi ai minimi della storia geologica. Dato che stiamo vivendo in una pausa di un'era glaciale, la temperatura globale ai nostri giorni potrebbe essere definita come quella di una <<ghiacciaia>> anziché di una <<serra>>. Come ci si può attendere in periodi di scarsa attività di pennacchio, il campo magnetico terrestre si inverte con frequenza, e alla base del mantello si verifica una considerevole anomalia termica che indica una lenta ebollizione del nucleo sottostante. Secondo le attuali stime, la temperatura aumenta di 1000-1500° nei 100-200 km più profondi del mantello. Sono trascorsi 120 milioni di anni dall'ultimo evento di superpennacchio, ma nessuno è in grado di prevedere quando avverrà il prossimo. Come scienziati, siamo in una situazione paragonabile a quella di un agricoltore che cerchi di prevedere l'arrivo della primavera osservando il comportamento degli animali. Possiamo solo affermare che il prossimo episodio di super pennacchio è ormai <<dietro l'angolo>>.