5. PALEOMAGNETISMO E FORMULAZIONE DELLA TEORIA DELL’ESPANSIONE DEI FONDALI OCEANICI

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A partire dagli anni ‘50 numerose scoperte ravvivarono l’interesse per la teoria della deriva dei continenti formulata da Wegener nel 1912. In particolare ebbero un ruolo fondamentale le esplorazioni dei fondali oceanici, avvenute in questo periodo, che permisero di giungere alla elaborazione dell’ipotesi dell’ espansione e del riciclo della crosta oceanica.

 

 

5.1 LA MAPPATURA DEI FONDALI OCEANICI

Prima del diciannovesimo secolo i fondali oceanici non erano mai stati oggetto di studio, si ipotizzava comunque che fossero piatti e praticamente immutabili nel tempo.

Nel 1885 venne pubblicata, dal tenente della marina americana Matthew Maury, la prima carta batimetrica che rivelava la presenza di una catena montuosa sottomarina nell’Oceano Atlantico (definita "Middle Ground").

L’esistenza di questa catena montuosa fu in seguito confermata dall’attività delle navi che scandagliavano l’Atlantico per installare i cavi telegrafici.

Le immagini del pavimento oceanico divennero molto più precise dopo la Prima Guerra Mondiale quando si incominciò a misurare la profondità dell’oceano utilizzando gli eco-scandagli. Grazie a questi strumenti una misura della profondità dei fondali veniva fornita dal tempo impiegato da un segnale acustico, emesso da una nave, per ritornare al punto di partenza dopo essere rimbalzato sul pavimento dell’oceano. Queste misurazioni rivelarono che la catena montuosa sottomarina, evidenziata dalla prime indagine batimetriche, attraversava l’Oceano Atlantico in modo continuo e con un percorso irregolare.

Nel 1947, i sismologi della nave americana Atlantis scoprirono che lo strato di sedimenti posto sul pavimento dell’Oceano Atlantico era molto più sottile di quanto originariamente si pensava. Gli scienziati avevano prima ritenuto che l’Oceano esistesse da 4 miliardi di anni, quindi lo strato di sedimenti doveva essere molto spesso. Perché c’era invece un così piccolo accumulo di materiale sedimentario roccioso e detritico sul pavimento oceanico? La risposta a questo interrogativo, che venne dopo ulteriori misurazioni, si dimostrò fondamentale per la formulazione del concetto di tettonica delle placche.

Negli anni 50, l’esplorazione dell’Oceano si incrementò ulteriormente. I dati raccolti dalle rilevazioni svolte da molte nazioni condussero alla scoperta che la catena montuosa dell’Oceano si sviluppa attorno a tutta la Terra. Questa immensa catena, che venne definita "Global Mid-Ocean Ridge" (dorsale medio-oceanica), era lunga 50000 chilometri e si estendeva a zig-zag tra i continenti del globo terrestre come le cuciture su un pallone da baseball. Raggiungeva l’altezza di 4500 metri sul pavimento dell’Oceano , superando in altezza tutte le vette degli Stati Uniti ad eccezione del monte McKinley in Alaska (6190 m). Sebbene nascosta al di sotto della superficie dell’Oceano, la "Global Mid-Ocean Ridge" rappresentava, quindi, la caratteristica topografica di maggior rilievo presente sulla superficie del nostro pianeta.

 

5.2 ESPANSIONE DEI FONDALI OCEANICI E RICICLO DELLA CROSTA OCEANICA

 

Nel 1961, gli scienziati iniziarono ad ipotizzare che la dorsale rappresentasse un punto in cui il fondale oceanico si espandeva attraverso la fuoriuscita di magma. Una conseguenza dell’espansione dei fondali oceanici sarebbe però la continua formazione di crosta ai margini della dorsale oceanica. Questa idea indusse alcuni scienziati a ritenere che l’allontanamento dei continenti potesse essere semplicemente dovuto ad un aumento delle dimensioni della Terra. In realtà questa ipotesi era poco credibile, la maggior parte degli scienziati riteneva che la Terra avesse modificato molto poco le proprie dimensioni dal momento della sua formazione, 4.6 miliardi di anni fa, ad oggi. Nasceva così un nuovo problema: come poteva essere comparsa nuova crosta oceanica dall’origine della Terra ad oggi senza che questa avesse modificato le sue dimensioni? Questo problema interessò particolarmente Harry Hess.

L’ipotesi formulata da Hess era la seguente: se la crosta terrestre si stava espandendo, in corrispondenza della dorsale medio oceanica, in qualche altro punto doveva essere riassorbita. Egli suggerì che la nuova crosta, originatasi a livello della dorsale, si allontanasse dal punto in cui si era formata e, dopo milioni di anni, essa raggiungesse le cosiddette fosse oceaniche: dei canyon molto profondi e stretti posti ai margini dell’Oceano Pacifico. Secondo Hess l’Oceano Atlantico si stava espandendo e il Pacifico restringendo. Mentre la vecchia crosta veniva riassorbita a livello delle fosse oceaniche, nuovo magma veniva eruttato lungo la cresta della dorsale oceanica per formare nuova crosta. Il fondale oceanico in questo modo veniva continuamente riciclato (Fig 8).

 

 

 

Figura 8

 

La teoria di Hess fu in grado di spiegare perché la terra non aumenta le proprie dimensioni nonostante l’espansione dell’Oceano e perché l’accumulo di sedimenti sul fondale oceanico è così limitato. L'ipotesi dell'espansione dei fondali oceanici apparve molto interessante fin dalla sua prima formulazione; mancava però la prova che ne potesse confermare l'attendibilità. Non passò molto tempo, perché un contributo decisivo venne dalle osservazioni paleomagnetiche. 

5.3 STRIATURA MAGNETICA E INVERSIONI DI POLARITA’

Negli anni ‘50, gli scienziati iniziarono a individuare, sui fondali oceanici, delle strane anomalie magnetiche. In questo tipo di ricerca vennero utilizzati particolari strumenti, definiti magnetometri, già impiegati dagli aerei durante la seconda guerra mondiale per individuare i sottomarini.

I MAGNETOMETRI

In passato il campo magnetico terrestre era rilevato con l’impiego di strumenti molto simili all’ago magnetico di Coulomb (costituito da un ago magnetico sospeso nella parte centrale ad un filo). Questo tipo di strumento, impiegato per più di 150 anni, non era in grado di fornire dati precisi ed inoltre era particolarmente delicato tanto da dover essere maneggiato con molta cautela.

A partire dalla Seconda Guerra Mondiale vennero introdotti strumenti elettronici, tra cui il cosiddetto "magnetometro fluxgate" che è tuttora in uso ed è basato sulla saturazione di materiali magnetici. Un elettromagnetometro di questo tipo è costituito da una parte centrale in ferro attorno alla quale è avvolto a spirale un filo elettrico. Normalmente i campi magnetici generati dagli atomi di ferro hanno un asse che si orienta casualmente tanto che la loro somma è praticamente uguale a zero. Il passaggio di corrente nel

filo elettrico determina però l’allineamento degli assi dei campi magnetici prodotti dagli atomi di ferro che si vanno così a sommare tra loro e al campo generato dal passaggio di corrente rafforzandolo. Questo effetto di potenziamento dovuto alla presenza del ferro ha un limite di saturazione oltre il quale l’incremento del campo magnetico totale è dovuto semplicemente all’eventuale aumento dell’intensità della corrente elettrica che passa attraverso il filo. Se questo strumento è posto all’interno di un campo magnetico esterno, questo tipo di andamento, relativo al raggiungimento della saturazione, è alterato e può essere percepito elettronicamente. Esistono anche altri tipi di magnetometri elettronici, per esempio quelli basati sulle proprietà ottiche dei vapori di alcuni metalli.

Un altro magnetometometro è il "proton precession magnetometer" che costituisce la base per la formazione delle immagini prodotte con la tecnica della risonanza magnetica, utilizzata, in campo medico, per osservare organi interni che non possono essere visti con i raggi X.

L’impiego dei magnetometri si realizza in molti settori: vengono usati dai satelliti e dagli aerei che tracciano la struttura locale del campo magnetico terrestre, finalizzata, per esempio, alla ricerca di petrolio, mentre negli aeroporti servono a rilevare la presenza di armi e le navi li usano per individuare i sottomarini.

La scoperta delle anomalie magnetiche non era del tutto inaspettata perché era noto che il basalto (la roccia vulcanica che costituisce il fondale oceanico), contenendo un gran numero di minerali magnetici, può localmente alterare l’orientamento della bussola. Fin dall’inizio del diciottesimo secolo, i marinai islandesi avevano osservato queste particolari anomalie nell’orientamento dell’ago della bussola.

All’inizio del ventesimo secolo, i paleomagnetisti, tra cui Bernard Brunhes in Francia (nel 1906) e Motonari Matuyama in Giappone (negli anni 20), scoprirono che le rocce, in base alle loro proprietà magnetiche, possono essere suddivise in due gruppi. Un gruppo viene detto a polarità normale ed è caratterizzato da minerali magnetici che hanno la stessa polarità del campo magnetico terrestre attuale. Un altro gruppo invece ha una polarità invertita cioè opposta a quella del campo magnetico terrestre attuale. Infatti i cristalli di magnetite, comportandosi come piccoli magneti, possono allinearsi al campo magnetico terrestre. Quando il magma basaltico si raffredda, per formare la roccia vulcanica solida, la disposizione dei cristalli di magnetite viene bloccata, ed in questo modo registra l’orientamento, ovvero polarità, del campo magnetico terrestre presente al momento del consolidamento.

Man mano che il fondale oceanico veniva mappato, le variazioni magnetiche rivelarono una disposizione regolare: sui due versanti della dorsale medio-oceanica si alternavano bande costituite da rocce con polarità normale (quella del campo magnetico attuale) e bande costituite da rocce con polarità invertita (Fig 9.)

Figura 9 Andamento delle anomalie magnetiche osservate lungo la dorsale di Reykjanes, una parte delle lunga Dorsale Medioatlantica, a SW dell’Islanda. Le fasce bianche indicano anomalie negative, quelle nere anomalie positive.

Due giovani geologi, Frederick Vine and Drummond Matthews, ed anche Lawrence Morley sospettarono che il "pattern zebrato" non fosse accidentale. Nel 1963, essi ipotizzarono che le bande magnetiche fossero prodotte da ripetute inversioni del campo magnetico terrestre.

Circa nello stesso periodo in cui veniva fatta questa scoperta, si stavano rapidamente sviluppando delle nuove tecniche per determinare l’età geologica delle rocce. Un team di scienziati composto dai geofisici Allan Cox e Richard Doell e dal geochimico Brent Dalrymple, ricostruirono la storia delle inversioni magnetiche degli ultimi 4 milioni di anni usando una tecnica basata sull’utilizzo degli isotopi del potassio e dell’argon. Cox ed i suoi colleghi usarono questo metodo per datare le rocce vulcaniche continentali di tutto il mondo. Essi misurarono anche l’orientazione magnetica di queste rocce utilizzandole per datare la più recenti inversioni del campo magnetico terrestre. Nel 1966, Vine e Matthews (e Morley lavorando indipendentemente) compararono questi risultati con le strisce magnetiche trovate sul fondo oceanico. Assumendo che il fondo oceanico si allontani dalla dorsale di qualche centimetro per anno, essi trovarono che ci fosse un correlazione tra l’età delle inversioni magnetiche della terra ed il pattern a strisce (Fig. 10).

Figura 10 Il profilo magnetico osservato del fondale oceanico del Pacifico (blu) è comparato con quello calcolato basandosi sulle variazioni del campo magnetico negli ultimi 4 milioni di anni assumendo un movimento costante del fondo (rosso). L’evidente somiglianza di questi due profili fornì una dalle prove in supporto all’ipotesi dell’espansione dei fondali oceanici.

 

In corrispondenza o in prossimità della dorsale le rocce erano molto giovani e diventavano progressivamente più antiche man mano che ci si allontanava dalla dorsale, le rocce più giovani poste in vicinanza della dorsale mostravano la stessa polarità del campo magnetico terrestre attuale. Il fondale oceanico venne, quindi, interpretato come un nastro trasportatore in cui è registrata la storia delle inversioni di polarità del campo magnetico terrestre.

L’ interpretazione delle anomalie magnetiche presenti nelle rocce del fondale oceanico, fornita da F. Vine e D. Matthews, diede un forte contributo alla formulazione della teoria dell’espansione dei fondali oceanici. Questa teoria rappresenta l’elemento necessario per giungere alla successiva definizione del modello della "tettonica delle placche".

 

 

Un ulteriore prova dell’espansione dei fondali oceanici venne fornita dai mezzi impiegati per la ricerca del petrolio. Infatti negli anni che seguirono la seconda guerra mondiale, le riserve continentali di petrolio si esaurirono rapidamente ed iniziò la ricerca di nuovi giacimenti petroliferi. Per svolgere questa ricerca le compagnie petrolifere realizzarono delle navi attrezzate con sistemi di perforazione molto efficienti in grado di trivellare per chilometri il fondale oceanico e recuperare campioni sotto forma di "carote". Questa particolare attrezzatura fu successivamente applicata alla nave di ricerca Glomar Challenger, appositamente creata per studi di geologia marina. Nel 1968 questa nave iniziò una spedizione (Deep Sea Drilling Project) durante la quale venne perlustrato il fondale oceanico dal Sud America all’Africa recuperando campioni prelevati in località specifiche poste ai due lati della dorsale medio-oceanica. Quando questi campioni furono datati, attraverso l’analisi dei radioisotopi, si ebbe la conferma dell’espansione del fondale oceanico.

Attualmente la Glomar Challenger è stata sostituita da una nave più moderna, la Jodes Resolution che può perforare fondali fino a 8000 m di profondità.

 

 

ESPLORAZIONE DEI FONDALI OCEANICI: IL CONTRIBUTO DELLA GLOMAR CHALLENGER E DELLA JOIDER RESOLUTION

 Il "Deep Sea Drilling Project" iniziò nel 1966 quando venne stipulato un contratto tra la National Science Foundation e l’Università della California. Dopo un periodo di prova fu scelta la nave che si doveva occupare delle opere di trivellazione del fondale oceanico, la Glomar Challenger, che iniziò la sua attività nel 1968.

La prima missione della nave terminò nel 1972 e fu caratterizzata dal recupero di numerosi campioni di crosta oceanica provenienti dai fondali dell’Atlantico, del Pacifico, dell’Oceano Indiano, del Mar Rosso e del Mediterraneo.

Il progetto si rivelò da subito un successo dal punto di vista scientifico: l’analisi dei campioni prelevati consentì l’individuazione di alcuni giacimenti petroliferi e le perforazioni effettuate lungo la dorsale medio

oceanica, tra il Sud America e l’Africa, fornirono le prove definitive della validità della teoria dell’espansione

e del riciclo dei fondali oceanici. Una scoperta di notevole importanza realizzata dalla attività della Glomar Challenger fu la dimostrazione che i fondali oceanici si sono formati recentemente, rispetto all’età che si attribuisce alla Terra, poiché risalgono al massimo a 200 milioni di anni fa. Grazie al lavoro di questa nave furono definiti i presupposti necessari alla elaborazione del modello della tettonica a placche.

I campioni di crosta oceanica prelevati dalla Glomar Challenger sono tuttora conservati al Lamont-Doerthy Erth Observatory, alla Columbia University e allo Scripps Institution of Oceanografy. La massima profondità raggiunta dalle trivellazioni fu di 7044 m al di sotto della superficie dell’oceano e la massima penetrazione all’interno del fondale fu di 1741 m.

L’attività della Challenger fornì, inoltre, importanti elementi per lo sviluppo delle tecnologie necessarie al progredire delle opere di trivellazione dei fondali oceanici. Un problema tecnico particolarmente delicato, che venne risolto durante le attività di recupero dei campioni di crosta, fu la sostituzione della parte terminale, ormai usurata, della trivella e il suo reinserimento nello stesso sito di perforazione in cui si trovava. La Glomar Challenger realizzò le sue attività fino al 1983; attualmente alcune parti della nave sono conservate allo Smithsonian Institute.

Nel 1985 la Glomar Challenger fu sostituita dalla più moderna Joider Resolution, nave che già da alcuni anni era impiegata nella identificazione di giacimenti petroliferi e che in questo momento diede inizio al nuovo progetto ricerca scientifica definito Ocean Drilling Program.

Le dimensioni della Joder Resolution sono considerevoli basti pensare che la torre di trivellazione raggiunge 61 m di altezza e l’attrezzatura presente può raggiungere una profondità 8235 m. Inoltre la nave dispone di numerosi laboratori per la conservazione dei campioni prelevati e per la loro analisi chimica, microscopica e paleontologica. E’ presente anche un laboratorio di fisica e paleomagnetismo. Il personale a bordo è formato da 50 tra scienziati e tecnici e 65 membri dell’equipaggio.

Alcuni dati (raccolti tra Gennaio 1985 e Marzo 2001) possono fornire una visione globale dell’intensità del lavoro svolto dalla Joider Resolution:

- Trivellazione più profonda: 2111m

- Minore profondità a cui è stato realizzato un campionamento: 37.5 m

- Maggiore profondità a cui è stato realizzato un campionamento: 5?980 m

- Lunghezza totale del materiale prelevato dai fondali: 279?721 m

- Numero di siti perlustrati: 593.

 

 

 

BIBLIOGRAFIA


Filippini M., Bignami L., La riscoperta della terra e dell’universo. Bergamo, Minerva Italica, 1990.

 

SITI INTERNET CONSULTATI

 

http://www.vialattea.net/esperti/geologia.php: sito dove è possibile trovare risposte a domande poste ad esperti in vari campi delle Scienze Matematiche Fisiche e Naturali.

http://www.bdp.it/~alps0001/fisica/Index.htm: sito in cui si possono trovare principalmente approfondimenti di Matematica e Fisica, dove è presente un collegamento interdisciplinare sul magnetismo in natura.

http://www.cronologia.it: sito ricco di informazioni storiche relative a svariati avvenimenti e personaggi.

http://www.ingv.it/~roma/attivita/geomagnetismo/paleomagnetismo/paleoemagnerocce.html: sito ricco di informazioni sul magnetismo terrestre e gli studi paleomagnetici.

http://www.usgs.gov: sito del "U. S. Geological Survey" dove è possibile trovare varie informazioni di tipo scientifico.

http://www.phy6.org: sito ricco di informazioni storiche relative all’argomento del magnetismo terrestre. Sono presenti anche indicazioni, rivolte agli insegnanti, per aiutarli a proporre dal punto di vista didattico questo tema.

http://www-odp.tamu.edu/index.html: sito di oceanografia nel quale si trovano tutte le informazioni relative all’ Ocean Drilling Program.

http://www.grisda.org/default.htm: sito del "Geoscience Research Institute" dove è possibile effettuare una ricerca relativa ad argomenti di Scienze della Terra.