Nella comprensione dei processi che rendono possibile il perdurare dei movimenti della tettonica delle placche anche a 4,5 miliardi di anni dalla formazione della Terra, un ruolo chiave è svolto dalle proprietà dell’astenosfera. Questa particolare zona del mantello terrestre, situata tra i 100 e 300 km di profondità, è particolarmente duttile ed è caratterizzata dalla capacità di attenuare le onde sismiche che attraversano la sua superficie.

Le ragioni che determinano questa riduzione della velocità delle onde interessano da tempo il mondo scientifico e un recente studio francese, pubblicato nei giorni scorsi su Nature, ha dato robustezza a una delle ipotesi principali, cioè quella che individua la spiegazione nella presenza di una piccola percentuale di magma nell’astenosfera. Lo studio, il cui primo autore è Eric Debayle dell’università di Lione, ha utilizzato i dati provenienti da modelli tomografici e li ha poi interpretati alla luce di esperimenti di laboratorio per dimostrare la fusione parziale che si verifica all'interno della zona sismica a bassa velocità (LVZ) del mantello superiore. 

Abbiamo chiesto al professor Manuele Faccenda, docente di Geofisica al dipartimento di Geoscienze dell'università di Padova, di spiegarci nel dettaglio le novità di questo studio e perché i risultati ottenuti dal team di Debayle ci offrono informazioni rilevanti sul movimento delle placche tettoniche del pianeta. Il focus di ricerca del professor Faccenda si concentra sulla modellazione numerica delle dinamiche di collisione e subduzione continentali e a marzo dello scorso anno il docente è stato coautore di uno studio, pubblicato su Nature Geoscience, che ha dimostrato in quali aree e con quali meccanismi avviene attualmente la deformazione profonda (~1,000 km) del mantello terrestre utilizzando un approccio basato sull’analisi congiunta dei dati sismologici e delle simulazioni numeriche di fluido dinamica che consentirà di comprendere come il nostro pianeta sia arrivato ad avere la configurazione strutturale attuale. 

"Lo studio realizzato dal team di ricercatori francesi - spiega Manuele Faccenda, docente di Geofisica al dipartimento di Geoscienze dell'università di Padova - ci fornisce delle informazioni preziose sulla struttura e la dinamica interna del nostro pianeta. Prima di tutto dobbiamo considerare che la Terra è una sfera il cui raggio è 6.371 chilometri e, a fronte di queste dimensioni, la perforazione più profonda che siamo riusciti a fare è di circa 10 chilometri: se volessimo effettuare un confronto con lo svolgimento di una maratona è come se ci fermassimo dopo appena 70 metri dalla partenza. Per conoscere la struttura interna della Terra dobbiamo quindi affidarci a delle tecniche non invasive e quella più utilizzata è del tutto analoga alla tomografia assiale computerizzata, meglio nota come Tac, usata in campo medico per ricostruire le porzioni interne del corpo umano. Nella Tac c’è una sorgente che emette raggi X nello spazio circostante, questi raggi X investono il mezzo che si vuole investigare e vengono registrati da dei ricevitori che sono posizionati nella parte opposta rispetto a quella della sorgente. Questi fasci di raggi X vengono filtrati dalle proprietà del mezzo che attraversano e andando poi ad incrociare tutti i dati registrati dal ricevitori, secondo diverse angolazioni, si riesce a ricostruire la struttura interna del mezzo attraversato dai raggi X".

Nel caso della Terra possiamo usare lo stesso principio per studiare la sua struttura interna. "La particolarità - approfondisce il professor Faccenda - è che la sorgente di impulsi sono i terremoti che avvengono vicino alla superficie terrestre e che generano delle onde meccaniche, le onde sismiche, che poi si propagano all’interno della Terra. La propagazione di queste onde sismiche viene modulata dalle proprietà meccaniche delle rocce che esse attraversano: le rocce che sono più rigide dal punto di vista meccanico riescono a far propagare rapidamente le onde sismiche, mentre quelle che sono meno rigide ne rallentano la propagazione e, se sono particolarmente duttili, attenuano anche l’ampiezza dell’oscillazione delle onde sismiche".

"Le onde sismiche generate dai terremoti - continua il docente - si propagano all’interno della Terra e poi riemergono in superficie. Qui vengono registrate da particolari ricevitori che sono i sismometri, sparsi un po’ su tutto il pianeta, e incrociando i dati registrati da questi strumenti si riesce a ricostruire la struttura interna della Terra. Partendo da centro abbiamo il nucleo terrestre che è formato da una parte più interna allo stato solido e una più esterna allo stato liquido. Al di sopra del nucleo c’è il mantello terrestre che è la parte più voluminosa della Terra, rappresenta circa l'85%, ed è allo stato solido, ma dal punto di vista meccanico si comporta in maniera duttile. Sopra al mantello c’è l’ultimo livello che è la litosfera, è la parte più esterna della Terra e sotto il profilo meccanico si comporta in modo rigido. La litosfera non è però un livello unico ma è composto dalle placche tettoniche, una serie di blocchi rigidi che a causa del loro movimento relativo e della loro deformazione interna producono i terremoti. Il movimento di queste placche è dovuto a delle differenze di densità sia all’interno delle placche stesse, sia nel mantello terrestre: quindi materiale più denso che affonda e materiale meno denso che sale verso la superficie. A fare da resistenza a questo tipo di processo è la frizione che c’è tra le placche e tra il mantello caldo e duttile".

Già alcuni decenni fa si è scoperto che alla base della litosfera, quindi nella parte superiore del mantello, esiste un livello chiamato astenosfera. "Prende il nome da astenos che in greco significa debole - spiega Manuele Faccenda - e dal punto di vista meccanico è ancora più duttile del resto del mantello sottostante. I fattori che hanno portato alla scoperta dell’esistenza dell’astenosfera sono che a questa profondità, tra 100 e i 200 chilometri, le onde sismiche vengono rallentate notevolmente e inoltre la loro ampiezza è parecchio attenuata. Da diversi decenni il mondo scientifico discute sui meccanismi responsabili di questa attenuazione delle onde sismiche che avviene nell’astenosfera e tra i possibili motivi è stata proposta la presenza di piccole quantità di magma. Parliamo di meno dell’1% perché se fosse in quantità superiori il magma si organizzerebbe in pattern ed emigrerebbe verso la superficie, il che implica che dovremmo osservare attività vulcanica diffusa su tutta la Terra, cosa che invece non accade e, sulla base dei dati geologici di cui disponiamo, non è accaduto neanche in passato. Se è presente in una quantità inferiore all’1% il magma resta intrappolato tra i cristalli, tra la matrice solida delle rocce dell’astenosfera, ma rende molto più duttile le rocce in cui viene ospitato. E questo meccanismo ci permette di spiegare l’origine dell’astenosfera e le sue proprietà. Inoltre ha un ruolo molto importante perché andando a indebolire questo livello che è proprio alla base della litosfera il movimento delle placche tettoniche che sono al di sopra dell’astenosfera sarebbe notevolmente facilitato".

"Il team di ricercatori di Lione - conclude il professor Faccenda - è riuscito a mappare mediante avanzate tecniche di inversione dei dati sismici la distribuzione dell’astenosfera su scala globale e ha dimostrato la presenza di questo livello duttile su ampie porzioni della Terra. Inoltre lo studio ha caratterizzato meglio la tipologia di attenuazione delle onde sismiche: andando a confrontare questa attenuazione con quella che viene riprodotta in laboratorio, utlizzando le stesse rocce presenti nell’astenosfera e portandole a condizioni di pressione e temperatura tipiche di questo livello, gli autori sono riusciti a confermare che l’attenuazione delle onde sismiche che si osserva nell’astenosfera è dovuta probabilmente alla presenza di piccole porzioni di magma. Il magma rallenta la velocità delle onde sismiche, attenua la loro ampiezza e rende l’astenofera molto più duttile, caratteristica che facilita il movimento delle placche tettoniche sovrastanti. Questo sarebbe uno dei motivi principali per i quali ancora oggi, dopo 4,5 miliardi di anni di vita della Terra, possiamo osservare ancora la tettonica della placche nelle porzioni più esterne del nostro pianeta".