AGI – Sotto l’Africa orientale e l’Oceano Indiano, a quasi 3mila chilometri di profondità , le sorgenti che alimentano alcuni dei principali hotspot vulcanici della regione non formano un unico sistema omogeneo, ma sembrano organizzate in almeno tre grandi domini distinti, ciascuno esteso per circa mille chilometri. A ricostruire questa sorta di mappa delle ‘radici’ profonde del vulcanismo sono stati Xiyuan Bao, dell’Harvard University, Mathurin Dongmo Wamba, dell’University of Bern, e Andreas Stracke, dell’University of Munster.
Lo studio, pubblicato su ‘Science’, combina per la prima volta in quest’area due fonti indipendenti di informazione: la tomografia sismica dell’interno terrestre e la firma isotopica dei basalti prodotti dagli hotspot. I due metodi restituiscono una suddivisione sostanzialmente concordante del mantello profondo.
Cosa sono gli hotspot vulcanici
Gli hotspot sono aree caratterizzate da un’intensa attività vulcanica che può verificarsi anche lontano dai margini delle placche tettoniche. Secondo il modello classico, sono alimentati da pennacchi di materiale caldo che risalgono dalle profondità del mantello, in alcuni casi dalla regione prossima al confine tra il mantello e il nucleo terrestre. Individuare con precisione le loro sorgenti è però estremamente difficile.
Le immagini sismiche più recenti mostrano infatti che le anomalie a bassa velocità associate ai pennacchi non sempre formano condotti verticali semplici: possono inclinarsi, deviare lateralmente di oltre 10 gradi, ristagnare a determinate profondità , ramificarsi oppure apparire come strutture discontinue e interconnesse.
Un problema matematico basato sulla teoria dei grafi
Per superare questo problema, Bao e colleghi hanno trasformato la ricerca del percorso dei pennacchi in un problema matematico basato sulla teoria dei grafi. Invece di identificare visivamente un singolo percorso tra un hotspot e il mantello profondo, il metodo cerca un insieme di possibili traiettorie attraverso le regioni caratterizzate da basse velocità delle onde sismiche. In questo modo è possibile tenere conto della complessità tridimensionale del mantello e del fatto che uno stesso hotspot potrebbe essere collegato a più possibili zone sorgente.
I ricercatori hanno applicato il metodo al modello tomografico regionale ad alta risoluzione ‘Semindo-Wm3’, costruito anche grazie a osservazioni sismologiche effettuate sul fondo oceanico. Sono stati analizzati otto sistemi di hotspot: Afar, Africa orientale, Comore, Reunion con Mauritius, Marion, Crozet, Kerguelen e Amsterdam-Saint Paul. Per ciascuno sono state ricercate possibili traiettorie dalle profondità di circa 260 chilometri fino a circa 2.500 chilometri, vicino al confine nucleo-mantello.
La ricostruzione mostra che i percorsi non sono necessariamente colonne verticali. Nel caso di Reunion, per esempio, emergono sia una possibile traiettoria relativamente verticale sia percorsi fortemente deviati lateralmente. Le diverse radici individuate tendono inoltre a convergere intorno ai mille chilometri di profondità , indicando una struttura del sistema molto più complessa rispetto all’immagine tradizionale di singoli pennacchi indipendenti che salgono verticalmente dal mantello profondo.
Tre gruppi confermati da geofisica e geochimica
Dall’analisi geofisica emerge innanzitutto una separazione tra Afar, Africa orientale e Comore, indicate dagli autori come gruppo Aec, e gli altri hotspot. Reunion presenta a sua volta caratteristiche che permettono di distinguerla da Marion, Crozet, Kerguelen e Saint Paul, riuniti nel gruppo Mcks. Gli scienziati hanno quindi verificato se questa suddivisione avesse un equivalente nella composizione chimica delle lave e hanno analizzato in cinque dimensioni i rapporti isotopici di stronzio, neodimio e piombo dei basalti associati agli otto hotspot. Anche questa analisi indipendente ha prodotto tre gruppi: Afar-Africa orientale-Comore, Reunion e Marion-Crozet-Kerguelen-Saint Paul, quest’ultimo insieme alla maggior parte dei basalti delle dorsali medio-oceaniche dell’Oceano Indiano.
Una mappa congiunta delle zone profonde del mantello
La corrispondenza tra la classificazione geochimica e quella ottenuta seguendo le strutture sismiche costituisce uno dei risultati centrali dello studio. Combinando i due risultati, gli autori propongono quindi una prima mappa congiunta geofisica e geochimica delle zone più profonde del mantello in questa parte del pianeta. La ricostruzione individua differenti regioni sorgente all’interno della porzione orientale della cosiddetta African Large Low Shear Velocity Province (Llsvp), una gigantesca struttura del mantello profondo caratterizzata da velocità relativamente basse delle onde sismiche. La suddivisione viene effettuata su scale dell’ordine di mille chilometri o superiori, cioè compatibili con la risoluzione disponibile della tomografia sismica.
Le verifiche effettuate dagli autori indicano inoltre che i percorsi individuati sono compatibili con le condizioni termiche attese per pennacchi del mantello. Tutti gli hotspot analizzati presentano lungo le traiettorie una temperatura in eccesso media superiore a 110 gradi Celsius rispetto al mantello circostante; Africa orientale, Afar, Comore, Reunion e Saint Paul superano i 120 gradi. La ricerca suggerisce anche che alcune deviazioni dei pennacchi si concentrino a profondità specifiche. Un primo massimo compare intorno ai 260 chilometri e un secondo tra circa 660 e mille chilometri, seguito da una fascia più debole tra mille e 1.500 chilometri. Secondo gli autori, queste deviazioni potrebbero essere collegate a cambiamenti della viscosità , della densità o delle fasi mineralogiche del mantello, anche se i dati non permettono ancora di stabilire quale meccanismo sia responsabile.
La struttura degli hotspot vulcanici
Il risultato più importante riguarda però la natura stessa delle grandi strutture presenti alla base del mantello. La convergenza tra la classificazione geofisica e quella geochimica è compatibile con l’esistenza di almeno tre regioni composizionalmente differenti, ciascuna dell’ordine di mille chilometri, nella parte orientale della Llsvp africana. Considerati insieme a precedenti studi sulla sua porzione occidentale, i nuovi risultati suggeriscono che l’intera struttura africana possa essere chimicamente eterogenea.
Questo rende, secondo gli autori, improbabile che la Llsvp abbia un’origine esclusivamente termica. I dati rimangono invece compatibili sia con grandi accumuli termochimici eterogenei sia con insiemi di pennacchi termochimici distinti, purché il mescolamento dei materiali nel mantello profondo sia relativamente inefficiente. Per distinguere tra queste possibilità saranno necessari nuovi studi geodinamici, una maggiore copertura delle osservazioni sismiche sui fondali oceanici e dati geochimici più completi sulle rocce vulcaniche degli hotspot.
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