17. Nascita di una teoria

I fondali oceanici

Già alla fine della prima guerra mondiale furono fatti da inglesi e tedeschi i primi esperimenti per intercettare i sottomarini nemici utilizzando navi attrezzate con dispositivi SONAR (SOund NAvigation and Ranging).  Dal 1920 questa tecnica fu utilizzata in America per cartografare i fondi oceanici, rivelando che essi non erano piatti come si pensava ma presentavano catene montuose e profonde valli. Una lunga dorsale fu individuata nel centro dell'Atlantico. Strutture simili furono individuate nell'oceano Pacifico e nell'oceano Indiano. La tecnologia fu migliorata durante il successivo conflitto mondiale e una gran mole di dati fu raccolta dagli Stati Uniti nel secondo dopoguerra. 

Marie Tharp e Bruce Heezen

Si deve alla geologa Marie Tharp (foto sopra) l'elaborazione grafica dei dati che Bruce Heezen raccoglieva sulla nave oceanografica Vema, oltre che dei dati sismici. Tharp e Heezen (foto a sx) pubblicarono la loro mappa del fondale del Nord Atlantico nel 1957 e successivamente nel 1977 quella di tutti gli oceani. La pubblicazione della mappa dei fondali dell'Oceano Atlantico, che evidenziava la presenza della dorsale oceanica, con il rift al centro e una incredibile ricchezza di dettagli, rappresentò un punto fermo e fondamentale nella nuova conoscenza degli oceani e del loro ruolo nella dinamica terrestre.

Fu negli anni '60 che la tecnologia digitale rese assai più semplice e veloce l'elaborazione di tutti questi dati, ma tale tecnologia fu resa disponibile per usi non militari solo dagli anni '70.

Carta dell'Oceano Atlantico, da Heezen, B.C. & Tharp, M. (1957) Physiographic diagram: Atlantic Ocean. [Map] s.l: Lamont Geological Observatory, Columbia University.

Dopo diversi decenni di lavoro, nel 1977 Tharp e Heezen pubblicarono la prima carta topografica dei fondali oceanici dell'intero pianeta. Questa carta oceanica mondiale è considerata un'icona ed è appesa alle pareti delle università di tutto il mondo, inclusa la nostra. Sai dire dove si trova? 

Celebrating Marie Tharp

Marco Romano, Francesco Latino Chiocci

Science  18 Dec 2020:

Vol. 370, Issue 6523, pp. 1415-1416

DOI: 10.1126/science.abe7084

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Il 30 luglio 2020 ha segnato il centenario della nascita di una donna che è stata centrale per lo sviluppo del campo delle scienze della Terra: Marie Tharp, pioniera della cartografia dei fondali oceanici e della geologia marina. Il suo lavoro è stato fondamentale per reintrodurre una visione mobilista (deriva) della Terra e per lo sviluppo della rivoluzione della tettonica a placche nei primi anni '60. La teoria della deriva dei continenti proposta da Alfred Wegener nel 1912 - che si basava su solide corrispondenze tra rocce, fossili e strutture geologiche sui lati opposti dell'Atlantico - fu inizialmente molto criticata e rifiutata dalla comunità scientifica. Alcuni paleontologi invocarono la passata presenza di ponti continentali che successivamente crollarono per spiegare la somiglianza delle faune tra le due sponde dell'oceano. L'attacco più duro venne dal campo della geofisica, che percepì i maggiori ostacoli nell'identificazione di una possibile "forza motrice" o "motore" che potesse muovere la crosta rigida, causando una deriva continentale così prodigiosa. Tuttavia, Wegener, combinando i dati geologici che includevano l'isostasia e l'evidenza del calore radiogeno, propose due possibili meccanismi principali per la deriva dei frammenti di crosta continentale (il cosiddetto sial) - cioè la "Pohlflucht" (migrazione gravitazionale lontano dai poli) e/o le maree solide indotte dalla Luna - ma nessuno dei due fu considerato plausibile o capace di generare tali movimenti.Un pezzo mancante cruciale in questo dibattito fu la conoscenza approfondita dei fondali oceanici, che coprono più del 70% della superficie della Terra. Infatti, fino alla prima metà del secolo scorso, non si sapeva quasi nulla sulla reale composizione e fisiografia dei fondali oceanici, un'area del pianeta troppo grande per essere ignorata nei modelli geologici su macroscala. È qui che, come alcuni avevano cominciato a sospettare, si nascondevano le prove della forza motrice della deriva dei continenti. 

Qui, Marie Tharp giocò un ruolo chiave negli anni '50 quando, confrontando i profili batimetrici dell'Oceano Atlantico, si rese conto della continuità delle dorsali oceaniche e della presenza di una valle assiale che testimoniava la loro espansione. La dorsale medio-atlantica fu scoperta da Tharp nel 1952 confrontando sei fogli di profili di crociera, ma l'esistenza di una spaccatura a forma di V fu inizialmente cautamente rifiutata dal suo collega Bruce Heezen perché le sue implicazioni mobilistiche erano troppo radicali per una comunità scientifica che aveva ampiamente rifiutato, se non ridicolizzato, le ipotesi di deriva dei continenti di Wegener. In un'intervista successiva, Heezen dichiarò: "Lo svalutai come un discorso da ragazze e non ci credetti per un anno". Le successive ricerche di Tharp e Heezen al Lamont Geological Observatory della Columbia University (ora Lamont-Doherty Earth Observatory) portarono a un quadro completamente nuovo e inaspettato del fondo dell'oceano, fornendo un pezzo cruciale di dati (insieme all'inversione magnetica e alla posizione degli ipocentri) che avrebbe portato in pochi anni all'ipotesi della tettonica a placche. Heezen fece diverse scoperte importanti nella geologia marina, specialmente per quanto riguarda i sedimenti e le correnti del fondo del mare, sfidando la tradizionale concezione geologica "permanentista"; fu anche uno dei principali raccoglitori di dati dal fondo del mare, con un progetto trentennale di collaborazioni che portò alla prima mappa mondiale del fondo dell'oceano nel 1977, un documento fondamentale per la sua importanza geologica. Heezen aveva dedicato la sua vita professionale allo studio dei segreti degli oceani, morendo in mare per un attacco di cuore a bordo di un sottomarino nel 1977. 

Essendosi laureata sia in geologia che in matematica, Marie Tharp aveva competenze che si rivelarono fondamentali per la realizzazione delle mappe topografiche dei bacini oceanici, un processo che richiedeva una profonda conoscenza della geografia, della matematica e della geologia. Usando le sue competenze matematiche, fu in grado di trasformare l'enorme quantità di dati batimetrici grezzi raccolti (gli ecoscandagli erano nella loro fase iniziale, essendo stati inventati solo pochi decenni prima) in profili e mappe. Dai primi anni '60 in poi, Heezen e Tharp pubblicarono influenti articoli con profili, grafici e diagrammi batimetrici incentrati sulla dorsale medio-atlantica e su tutti i sistemi di fratture che interessano questa grande struttura. La capacità di trasformare graficamente i dati del fondo dell'oceano in oggetti visibili ha notevolmente facilitato nuove inferenze e ipotesi, così come una più facile comunicazione delle prove su cui le nuove teorie avrebbero potuto basarsi in modo solido. Furono proprio questi risultati grafici che ispirarono autori come J. Tuzo Wilson a proporre una categoria completamente nuova di "faglie": le faglie trasformi, un sistema di faglie lungo un confine di placca caratterizzato da un movimento prevalentemente orizzontale. La pubblicazione nel 1977 da parte di Heezen e Tharp della leggendaria prima mappa mondiale completa dei fondali oceanici (vedi foto sopra) ha rivelato al grande pubblico il complesso sistema di migliaia di chilometri di creste oceaniche, zone di frattura, montagne sottomarine e fosse, rivelando i processi geodinamici che modellano il nostro pianeta. È spiacevole notare che all'inizio della sua carriera, a Marie Tharp, in quanto donna, non fu permesso di salire a bordo delle navi che stavano raccogliendo i dati che stava studiando e che le sue prime ipotesi sulla diffusione del fondo del mare furono trattate come semplici "chiacchiere da ragazze". Ora, le sue intuizioni sono state pienamente apprezzate e rivendicate, sottolineando il contributo centrale troppo spesso ignorato delle donne allo sviluppo della scienza. 

(l'originale in inglese è: Marco Romano, Francesco Latino Chiocci, Science  18 Dec 2020: Vol. 370, Issue 6523, pp. 1415-1416 DOI: 10.1126/science.abe7084)

L'espansione dei fondali oceanici

Harry Hammond Hess

(1908-1969) Geologo americano, ha lavorato all'Università di Princeton dal 1934 alla sua morte. Durante la II guerra mondiale Hess comandò una nave dotata di sonar, con cui studiò il fondale oceanico e scoprì l'esistenza di rilievi sottomarini con la sommità piatta (guyot). Hess nel 1962 pubblicò la propria ipotesi circa il significato delle dorsali oceaniche e l’espansione dei fondali oceanici in un articolo intitolato “History of ocean basins”

The Mid-Atlantic Ridge is truly median because each side of the convecting cell is moving away from the crest at the same velocity, ca. 1 cm/yr. A more acceptable mechanism is derived for continental drift whereby continents ride passively on convecting mantle instead of having to plow through oceanic crust. 

 

“ Le dorsali medio oceaniche potrebbero rappresentare i resti dei lembi ascendenti delle celle convettive, mentre la fascia circumpacifica di deformazione e vulcanismo rappresenta i lembi discendenti. La Dorsale Medio-Atlantica è in posizione mediana perché le aree continentali sui due lati si sono allontanate alla stessa velocità…Non è esattamente la stessa cosa nella deriva dei continenti. I continenti non avanzano attraverso la crosta oceanica spinti da forze ignote, ma piuttosto si lasciano trascinare passivamente sul materiale del mantello (come se si trattasse di un nastro trasportatore) quando sale alla superficie in corrispondenza della cresta della dorsale e se ne allontana muovendosi lateralmente. ” 

Le anomalie magnetiche

Durante la seconda guerra mondiale, le navi da guerra utilizzavano anche  dei magnetometri per individuare sottomarini. I magnetometri sono strumenti che misurano direzione e intensità del campo magnetico e le navi li trascinavano avanti e indietro per gli oceani. Quando i dati registrati furono esaminati, rivelarono delle bande alternate di magnetismo forte e debole (anomalie positive e negative) nelle rocce del fondo oceanico.

Le anomalie vennero inizialmente interpretate assumendo dei meccanismi non meglio precisati di auto-inversione mineralogica.

Una spiegazione dei fenomeni magnetici si trova in questa pagina: Paleomagnetismo

Frederick Vine, Drummond Matthews e Lawrence Morley

Frederick Vine e Drummon Matthews (foto a sx),  entrambi della Università di Cambridge, il primo come studente PhD e il secondo come suo supervisore, esaminarono i dati, in particolare lo schema di bande magnetiche parallele nelle rocce oceaniche. Se l'ipotesi di Hess era corretta, questa distribuzione simmetrica non poteva essere casuale, ma doveva significare che il campo magnetico terrestre invertiva la sua direzione nel tempo. Notarono un andamento simmetrico di queste bande da una parte e dall'altra della dorsale medio-oceanica. Inoltre, una volta che i basalti furono datati, trovarono che le età erano uguali per rocce alla stessa distanza dalla dorsale, da parti opposte. Questo confermava che il fondo oceanico si fosse formato lungo la dorsale e si fosse allontanato poi da entrambe le parti della dorsale.

Il lavoro fu pubblicato nel 1963 (scarica pdf), sulla rivista Nature. I loro risultati sono noti come "Ipotesi di Vine-Matthews-Morley", riconoscendo in questo modo anche il contributo di Lawrence Morley (foto a dx), geologo canadese, che aveva raggiunto indipendentemente gli stessi risultati ma il cui lavoro era stato inizialmente rifiutato ed era stato pubblicato pochi mesi dopo.

Questa idea confermava l'espansione oceanica, e fu una tappa fondamentale per la comprensione dei meccanismi della tettonica a placche.

La subduzione

Victor Hugo Benioff 

Victor Hugo Benioff (1899-1968), sismologo americano, costituì in California - insieme a Beno Gutenberg e Charles Richter il più importante gruppo di ricerca di geofisica del mondo.

E' famoso per aver studiato la profondità ipocentrale dei terremoti del Pacifico, e averli localizzati lungo un piano inclinato che si immerge con un angolo di circa 45° a partire dalla fossa verso il continente. Oggi i terremoti profondi associati alle zone di subduzione prendono il nome di "zona Wadati-Benioff", dal suo nome e dal nome del sismologo giapponese Kiyoo Wadati che scrisse diversi articoli prima del 1936 sulla velocità delle onde sismiche, i terremoti profondi e la zona planare di questi ipocentri vicino alle fosse sotto gli archi insulari. Wadati fu il primo a riconoscere la geometria della zona, ma fu Benioff (1954) a interpretarla come dovuta alla subduzione della litosfera oceanica.

Normalmente, il mantello non è sufficientemente rigido da permettere l'accumulo di energia necessario per un terremoto. Quindi, la maggioranza dei terremoti sono confinati nella parte più esterna e rigida della Terra, la litosfera, che ha spessori variabili ma generalmente inferiori ai 100 km. Fanno eccezione i terremoti al di sotto degli archi insulari, delle catene vulcaniche e vicino alle fosse oceaniche. Quindi Benioff concluse che la litosfera oceanica, ancora rigida, andasse in subduzione e fosse responsabile degli ipocentri profondi fino a 700 km nel mantello. (modificato da qui)

La sintesi di Tuzo Wilson

Negli anni '60, le idee della mobilità dei continenti, delle correnti convettive nel mantello e dell'espansione dei fondali oceanici furono integrate nel concetto di "tettonica a placche" da Tuzo Wilson (1908-1993). Wilson era stato fino al 1959 fissista e contrazionista (seguendo la scuola di Dana), ma le nuove scoperte lo avevano convinto che occorreva sviluppare una nuova teoria capace di spiegare fenomeni così diversi.

Wilson apportò due contributi maggiori alla teoria, che contribuirono a fornirle solide basi e a renderla bene accetta negli ambienti accademici: 

Dall'articolo di Wilson J.T. (1963). A POSSIBLE ORIGIN OF THE HAWAIIAN ISLANDS. Canadian Journal of Physics. Volume 41, 863-870.

L'articolo  non fu accettato dalle principali riviste americane di geofisica, e fu pubblicato solo nel 1963 sul Canadian Journal of Physics ("ma solo perché non si accorsero che la questione era controversa", come disse in seguito).

2.  Risolse i problemi prettamente geometrici e dinamici del movimento relativo tra placche introducendo il concetto di margini trasformi che andava ad aggiungersi a quelli già proposti da Hess di margini attivi e passivi. Sulla base dei dati cartografici sviluppò il concetto di faglia trasforme lungo le dorsali (file pdf),

Dopo il 1965 introduce quello che prenderà il nome di "ciclo di Wilson": la tettonica divide lo strato superficiale della Terra ("litosfera") in una dozzina di placche litosferiche distinte. Queste placche fluttuano sulla sottostante astenosfera che, riscaldata dall'interno della Terra (e dai processi radioattivi) e divenuta plastica, si espande, diventa meno densa e si solleva. Incontrando la litosfera devia e trascina le placche lateralmente finché si raffredda e si condensa deviando nuovamente per completare il ciclo. 

 "La geologia è matura per una rivoluzione scientifica e la sua situazione attuale è simile a quella dell'astronomia prima di Copernico e Galileo, della chimica prima degli atomi e delle molecole, della biologia prima di Darwin, della fisica prima della meccanica quantistica: prima di ogni rivoluzione non c'è niente che quadri e le risposte arriveranno quando si comprenderà che si deve lasciar perdere l'intera intelaiatura di riferimento e cercarne un'altra. . Gli studiosi di geologia hanno cercato di adattare la storia terrestre, che è sempre stata mobile, all'intelaiatura di un modello rigido e immobile di continenti e non è sorprendente che fosse impossibile rispondere alle questioni maggiori. Non sono i nostri metodi e nemmeno le nostre osservazioni sbagliate, ma l'intero nostro modo di pensare." . Ognuna di queste rivoluzioni proietta la sua ombra molto innanzi a a sé. Gli astronomi greci presagirono Copernico duemila anni prima, Darwin prese dal nonno l'idea dell'evoluzione. Non ci sorprende che le idee di Wegener e di Holmes fossero presenti senza venire accettate. (John Tuzo Wilson, Berkeley 1963)



Dall'articolo "Geologia Strutturale" di G.V. Dal Piaz, 2009, scaricabile qui.

(...) Erano ormai disponibili tutte le tessere per la costruzione di un nuovo modello di tettonica globale, ma era necessario riunirle in un armonico mosaico. Una prima sintesi, ancora parziale, sorse dalle discussioni di un gruppo di geofisici nordamericani e inglesi (J. T. Wilson, E. C. Bullard, H. H. Hess, P. E. Matthews e F. J. Vine; v. Hallam, 1973; v. Bosellini, 1978). Essa fu formalizzata in una breve nota (v. Wilson, 1965) dedicata alle grandi faglie a spostamento orizzontale (trasformi) e alle loro relazioni con la deriva continentale; vi si formulava tuttavia anche l'idea basilare che le catene montuose, gli archi insulari, le dorsali oceaniche e le faglie trasformi costituissero una rete continua di cinture mobili, sismicamente attive, tali da suddividere l'intera superficie terrestre in numerose tessere rigide in movimento relativo tra loro, dette ‛placche litosferiche'. Il modello raffigurava il moto delle placche su una superficie piana. Come passo successivo fu affrontato con successo il problema di ricostruire il mosaico e la dinamica delle placche sulla superficie sferica della Terra, esprimendo i movimenti con rotazioni e misure angolari. Fu così possibile verificare il buon incastro degli attuali continenti nella posizione che avevano assunto sulla sfera terrestre prima dell'apertura dell'Oceano Atlantico e valutare l'effettiva cinematica delle placche nella loro esatta configurazione geometrica. Questi progressi furono sviluppati essenzialmente da E. C. Bullard, J. F. Dewey, B. L. Isacks, X. Le Pichon, D. P. McKenzie, W. J. Morgan, A. G. Smith e altri ancora (v. Hallam, 1973; v. Bosellini, 1978; v. Dal Piaz, 1997). La nuova teoria globale sorgeva dall'analisi e dall'interpretazione della dinamica terrestre in atto, ma fu presto applicata ai fenomeni geologici più remoti, ottenendo nuove conferme della sua validità. Nasceva così, per la prima volta nella storia del pensiero geologico, una teoria globale della dinamica terrestre, un'armonica concezione unitaria sulla genesi di tutti i principali processi geologici presenti e passati.

Chi fosse interessato ad una bibliografia più completa sull'evoluzione della teoria della tettonica delle placche  può trovarla su questa pagina di Wikipedia: Timeline of the development of tectonophysics (after 1952)

Evoluzione di un modello

Il modello della tettonica a placche, nelle sue formulazioni più semplici, è ormai insegnato in tutte le scuole fin dalla scuola media (di solito male). Per la sua formulazione sono occorsi vari decenni, e si tratta di una teoria ancora molto giovane, ma la sua capacità predittiva è notevolissima. All'interno del paradigma della tettonica delle placche è possibile inquadrare fenomeni geologici estremamente diversi e complessi.

Spostamento dei continenti: contributo di Alfred Wegener

Di Wegener e della sua teoria degli spostamenti continentali, esposta per la prima volta nel 1912, abbiamo parlato a lungo e discusso nei diversi seminari. La teoria spiegava alcune (numerose) evidenze:

Espansione dei fondali oceanici: contributi di Arthur Holmes e Hess

Nella pagina precedente è rappresentato il modello di Holmes per spiegare gli spostamenti continentali descritti da Wegener,  modello presentato nel 1929 (prima delle scoperte relative al paleomagnetismo, quindi) e pubblicato nel 1931. Celle convettive nel mantello indotte dalla diversa temperatura all'interno della Terra, dovuta al calore primordiale e al decadimento radioattivo di certi isotopi, sarebbero state responsabili della formazione di nuovi oceani (per emissione di magma) e dello spostamento dei blocchi continentali.

Questo modello, puramente teorico (riceverà solo negli anni '50 le conferme sperimentali, con i lavori di Hess) spiegava alcuni fatti che erano già noti:

Tettonica delle placche: molti contributi, in particolare Vine & Matthews e J. Tuzo Wilson

La bibliografia relativa alla quantità di conferme della tettonica delle placche che si accumularono velocemente negli anni '60e nei decenni successivi  è sterminata, qui abbiamo ricordato solo alcuni dei lavori che aprirono la strada  all'affermarsi della tettonica delle placche come teoria unificante, capace di dare ragione sostanzialmente di tutti i fenomeni geologici osservati:

16b. LABORATORIO. GOOGLE EARTH

18. LA "SCUOLA PISANA DI GEOLOGIA"