Resistenza allo schiacciamento

La superficie terrestre è costituita da alcune grandi e numerose piccole placche che si spostano continuamente ed estremamente lentamente l'una verso l'altra. Ai confini di due placche, la placca oceanica più pesante si immerge sotto la placca continentale più leggera. Gli esperti chiamano questo processo subduzione. Da tempo ci si chiede cosa succeda al bordo della placca mentre si immerge nel mantello terrestre. Alcuni scienziati hanno ipotizzato che il bordo della placca in subduzione rimanga rigido e forte come la placca stessa e si pieghi semplicemente a causa della gravità e delle interazioni meccaniche con il mantello terrestre.

Bordo della placca fortemente deformato

Tuttavia, i modelli dell'interno della Terra creati dagli scienziati con la tomografia sismica hanno rivelato risultati contraddittori: nell'ovest degli Stati Uniti, ad esempio, i ricercatori hanno riconosciuto delle macchie a diverse profondità sulle tomografie. Queste indicavano che i margini delle placche sommerse sotto il continente americano potevano essere segmentati. Hanno quindi concluso che i margini delle placche nel mantello devono essere fortemente deformati e non affatto rigidi e immobili.

Utilizzando modelli al computer, altri ricercatori, tra cui l'ETH Paul Tackley, hanno confermato che i bordi delle placche subdotte sono effettivamente deboli e deformabili. E hanno formulato un'ipotesi che può essere ridotta a un semplice denominatore: Le placche in superficie sono rigide e forti (leggi: indeformabili), mentre i bordi nel mantello sono morbidi e deboli.

Si cerca un meccanismo plausibile

"Finora, tuttavia, alle ricerche mancava un meccanismo plausibile per spiegare come si verifica questa curvatura e perché i bordi delle placche in subduzione diventano morbidi e deboli", spiega Taras Gerya, professore di geofisica all'ETH di Zurigo.

I ricercatori sapevano dalle osservazioni che sul lato superiore di una placca in subduzione si trovano numerose faglie all'interfaccia con l'altra placca. L'acqua marina penetra nella placca attraverso queste faglie e viene effettivamente risucchiata dalle forze di aspirazione. Questo indebolisce la parte superiore della placca. Tuttavia, questo da solo non è sufficiente a spiegare la segmentazione del bordo della placca - i patch - osservati nelle tomografie. ? necessario un ulteriore meccanismo che indebolisca anche la parte inferiore del bordo della lastra in misura sufficiente a consentire la segmentazione.

Gerya e i suoi colleghi americani David Bercovici e Thorsten Becker hanno quindi ipotizzato che i grani di cristallo di olivina relativamente grandi e resistenti, di dimensioni millimetriche, vengano schiacciati dalla compressione della parte inferiore della placca nel punto di flessione. Questi si raggruppano poi in aggregati di grani molto più deboli, di dimensioni micrometriche, che rompono la resistenza e permettono alla lastra di piegarsi.

Il margine della placca in immersione è diviso in segmenti

Utilizzando un nuovo modello computerizzato bidimensionale che ha integrato questa riduzione dei grani come meccanismo centrale, i tre ricercatori hanno studiato il processo in silico. Lo studio corrispondente è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica Nature.

E infatti: le simulazioni hanno mostrato che le placche sommerse si deformano a causa della massiccia riduzione delle dimensioni dei grani di olivina sul lato inferiore e si dividono in singoli segmenti nel corso del tempo. I segmenti sono rigidi, ma rimangono collegati tra loro attraverso deboli cerniere costituite da grani di olivina. Nelle simulazioni, sul lato superiore del pannello appaiono crepe parallele ai confini dei segmenti. Al di sotto si trovano le zone con i grani minerali frantumati (vedi diagramma).

"Si può immaginare che sia come rompere una tavoletta di cioccolato", spiega Gerya. Una tavoletta di cioccolato può essere divisa in segmenti solo lungo i punti deboli prestabiliti. Le tavolette di cioccolato sono rigide e i pezzi che le collegano sono deboli. "Ecco perché una placca che scende nel mantello terrestre non è uniformemente curva o deformata, ma segmentata".

Ecco come potrebbe accadere nella realtà: La placca più pesante si immerge sotto quella più leggera. Un punto debole con grani minerali più piccoli all'interno della placca sommersa permette a quest'ultima di piegarsi. La pressione di flessione fa sì che i minerali si sgretolino in altri punti della parte inferiore. Il punto debole risultante porta alla frattura e alla formazione di un segmento. Man mano che il bordo della placca si immerge sempre più in profondità nel mantello, si formano altri segmenti in corrispondenza della curva. Di conseguenza, il bordo della placca finisce per assomigliare a una catena con anelli rigidi e pezzi di collegamento flessibili. A una profondità di circa 600 chilometri, il bordo della placca segmentata scivola lungo una cosiddetta discontinuità di 670 chilometri nel mantello terrestre e si sposta orizzontalmente.

Gli indizi della natura a sostegno della simulazione

"I risultati delle nostre simulazioni sono coerenti con le osservazioni in natura", spiega Gerya. La situazione naturale lungo la Fossa del Giappone, dove la placca del Pacifico si immerge sotto la placca di Okhotsk, è particolarmente ben studiata. Lì si può trovare lo stesso identico schema di faglie che le simulazioni hanno prodotto.

Altri ricercatori hanno studiato la velocità delle onde sismiche lungo il margine della placca giapponese in subduzione. Per farlo, hanno utilizzato un modello ad alta risoluzione sviluppato di recente e basato sulla tomografia sismica di questa zona. I ricercatori hanno scoperto che la velocità delle onde sismiche si riduce in alcuni nodi della placca in subduzione. Lo schema in cui questi nodi si presentano nella realtà corrisponde a quello dei confini dei segmenti ricavati dalle simulazioni. Le zone con cristalli molto piccoli, delle dimensioni di appena un micrometro, sono responsabili della minore velocità delle onde sismiche, sia in natura che nel modello al computer.

Questi minuscoli grani di cristallo rendono anche il materiale sul lato inferiore della lastra meno viscoso, cioè più sottile. I ricercatori sono riusciti a dimostrarlo anche nella Fossa del Giappone. "Questo rende il nostro modello molto plausibile e fornisce una solida base fisica per l'ipotesi di una placca rigida con un bordo debole e inclinato", sottolinea l'ETH professor Gerya. Il lavoro non è ancora terminato: Uno dei suoi studenti di laurea, Simon Niggli, ha modellato e descritto per la prima volta le fratture della placca in tre dimensioni. I ricercatori vogliono anche indagare se la segmentazione dei margini delle placche possa essere responsabile di forti terremoti.