Tettonica a placche: margini, vulcani e terremoti

Se sei in quinta al liceo delle scienze umane, siamo a inizio ottobre e in scienze naturali di solito si apre il blocco su tettonica a placche, atmosfera e clima. L’interrogazione o la verifica cade fra sei e nove settimane, e l’argomento ricompare volentieri alla maturità, come spunto interdisciplinare per il colloquio. È uno dei temi più “collegabili” del programma di scienze: storia della scienza, geografia, rischio sismico, educazione civica.

Qui ti do la struttura per studiarlo con ordine: dall’interno della Terra ai tre margini, poi vulcani, terremoti, le due scale e gli errori che vedo di continuo. Per la parte astronomica ho scritto un articolo sulla geografia astronomica del quinto anno; per i moti della Terra e le stagioni questo sul sistema solare. Qui non li ripeto: parlo solo di cosa succede sotto i nostri piedi.

L’interno della Terra

Non possiamo scavare fino al centro, quindi la struttura si ricava dalle onde sismiche, che cambiano velocità e direzione quando attraversano materiali diversi. Gli strati principali:

• crosta: sottile, da pochi chilometri sotto gli oceani a decine di chilometri sotto le catene montuose; è oceanica (più densa) o continentale (più spessa);
• mantello: lo strato più voluminoso, roccioso, che a lunghissima scala si comporta in modo plastico;
• nucleo esterno: liquido, ricco di ferro e nichel;
• nucleo interno: solido.

Le superfici di separazione hanno nome proprio: la discontinuità di Mohorovičić divide crosta e mantello, quella di Gutenberg mantello e nucleo.

Per la tettonica però conta una suddivisione diversa, basata sul comportamento meccanico: la litosfera, rigida, formata da crosta più la parte alta del mantello, che si frammenta in placche, e l’astenosfera sottostante, più deformabile, su cui le placche si muovono.

Da Wegener alle placche

Nel 1912 Alfred Wegener propose la deriva dei continenti: un tempo erano uniti in un unico supercontinente, la Pangea, poi separati. Le sue prove: la forma delle coste di Sud America e Africa che combaciano, gli stessi fossili su continenti oggi lontani, rocce e catene montuose che continuano da una sponda all’altra dell’oceano, tracce di antiche glaciazioni in zone ora tropicali.

L’ipotesi fu respinta a lungo perché mancava un meccanismo: come potevano i continenti “arare” il fondo oceanico? La risposta arrivò dopo, con l’espansione dei fondali oceanici (Harry Hess, anni Sessanta): al centro degli oceani, lungo le dorsali, risale magma che forma nuova crosta oceanica; il fondale si allontana dalla dorsale da entrambi i lati. Le prove: l’età delle rocce del fondale cresce con la distanza dalla dorsale, e le bande magnetiche sono simmetriche rispetto ad essa, perché il campo magnetico terrestre si è invertito più volte e le rocce lo “registrano” mentre si raffreddano.

Le placche si muovono di pochi centimetri all’anno, spinte da correnti di convezione nel mantello e dal peso delle placche che sprofondano. È un moto lentissimo ma, su milioni di anni, enorme.

Se ti chiedono un collegamento di metodo: la storia di Wegener è un caso classico di ipotesi osservativamente solida ma rifiutata finché non si trovò una spiegazione fisica. Per un colloquio di scienze umane è un buon aggancio con l’epistemologia.

I tre tipi di margine

Margine divergente. Il magma risale e solidifica: è la dorsale oceanica. Se avviene sotto un continente, produce un rift, come nell’Africa orientale.

Margine convergente. Tre casi, da distinguere sempre:

1. oceano-continente: la placca oceanica, più densa, si inabissa sotto quella continentale (subduzione). Si forma una fossa oceanica e, sul continente, una catena con vulcani: le Ande;
2. oceano-oceano: una placca oceanica sprofonda sotto l’altra e si forma un arco insulare con vulcani, come in Giappone;
3. continente-continente: nessuna delle due affonda facilmente, perché sono leggere; la crosta si deforma e si solleva, formando una catena montuosa. È il caso dell’Himalaya, nata dallo scontro tra placca indiana ed eurasiatica. Qui i terremoti sono frequenti, i vulcani no.

Margine trasforme. Le placche scorrono una accanto all’altra. Si accumula tensione, poi si libera di colpo: la faglia di San Andreas, in California, è l’esempio da libro.

Vulcani e terremoti: la stessa mappa

Se sovrapponi la carta dei vulcani attivi e quella degli epicentri, vedi che coincidono con i margini delle placche. È la prova più semplice della teoria, e una domanda da interrogazione.

I vulcani si trovano soprattutto dove si crea o si consuma crosta: dorsali, zone di subduzione, la “cintura di fuoco” del Pacifico. Esistono anche vulcani lontani dai margini, i punti caldi, ma sono l’eccezione, e di solito non servono per la verifica.

I terremoti nascono dal rilascio improvviso di energia accumulata lungo una faglia. Tre termini da non confondere:

• ipocentro (o fuoco): il punto sotterraneo da cui parte la rottura;
• epicentro: il punto in superficie sulla verticale dell’ipocentro;
• onde sismiche: primarie (P, più veloci, longitudinali), secondarie (S, trasversali) e superficiali, le più distruttive.

Nelle zone di subduzione gli ipocentri si dispongono su un piano inclinato che scende sotto il continente: anche questo è un modo per riconoscere il margine.

Richter e Mercalli

Le due scale misurano cose diverse, ed è l’errore più frequente.

La scala Richter (oggi si usa soprattutto la magnitudo momento) misura la magnitudo: l’energia liberata alla sorgente, un numero solo per ogni terremoto. È logaritmica: ogni unità in più significa un’ampiezza delle onde 10 volte maggiore e un’energia circa 32 volte maggiore.

La scala Mercalli misura l’intensità: gli effetti su persone, edifici e terreno in un dato luogo, in gradi da I a XII. Cambia da un posto all’altro: lo stesso terremoto ha intensità alta vicino all’epicentro e bassa lontano. Dipende anche dal terreno e dalla qualità delle costruzioni.

Perché in Italia ci sono terremoti

In termini prudenti: l’Italia si trova in una zona di lenta convergenza tra la placca africana e quella eurasiatica. Questo deforma la crosta lungo la penisola e produce faglie attive, in particolare lungo l’Appennino; lo stesso contesto è legato al vulcanismo di Etna, Vesuvio e Stromboli. La storia geologica è complessa e i libri la presentano con sfumature diverse, quindi usa il modello che trovi nel tuo testo, senza semplificarlo troppo.

Gli errori che vedo ogni anno

Confondere magnitudo e intensità. Richter dice quanto è forte il terremoto in sé; Mercalli dice cosa ha provocato in un luogo.

Pensare che la scala Richter sia lineare. Un terremoto di magnitudo 7 non è “un po’ più forte” di uno di 6: l’energia è circa 32 volte maggiore.

Dire che i continenti “galleggiano sul mare”. Si muovono le placche litosferiche, che includono crosta e parte del mantello superiore, sull’astenosfera.

Mettere i vulcani nell’Himalaya. Margine continente-continente: catena, terremoti, niente vulcanismo di subduzione.

Scambiare epicentro e ipocentro. Il primo è in superficie, il secondo in profondità.

Dire che la deriva è “una teoria sbagliata di Wegener”. Aveva ragione sul fatto, mancava il meccanismo; la tettonica a placche lo ha integrato.

Tre esercizi svolti

1. Da quanto tempo si apre l’Atlantico?

Due coste distano oggi 3000 km e si allontanano a 3 cm all’anno. Se la velocità fosse sempre stata costante, da quanto tempo si stanno separando?

Converto in centimetri: $3000\text{km}=3\times 10^8\text{cm}$. Il tempo è distanza diviso velocità:

È un ordine di grandezza plausibile per la scala dei tempi geologici; i valori reali dipendono da un moto non esattamente costante.

2. Magnitudo ed energia

Un terremoto di magnitudo 7 e uno di magnitudo 5: di quanto differiscono in ampiezza delle onde e in energia?

La differenza è $\Delta M=2$. L’ampiezza cresce di un fattore 10 per unità:

L’energia segue $10^{1,5\Delta M}$:

Il sisma di magnitudo 7 ha onde 100 volte più ampie e libera circa 1000 volte l’energia. Controllo: per una sola unità l’energia sale di circa 32; $32\times 32\approx 1000$.

3. Età del fondale e riconoscimento del margine

A 600 km da una dorsale, il fondale si allontana a 2 cm all’anno. Che età ci aspettiamo? Poi: un terremoto con ipocentro a 300 km di profondità sotto il Giappone, di che margine fa pensare?

Distanza in centimetri: $600\text{km}=6\times 10^7\text{cm}$.

Per il terremoto: un ipocentro così profondo non si trova in un margine divergente né trasforme, dove la crosta è sottile e i sismi sono superficiali. Fa pensare a una zona di subduzione, dove la placca scende nel mantello: quindi margine convergente oceano-oceano o oceano-continente, ed è quello del Giappone.

Metti alla prova

Per la maturità delle scienze umane puoi allenarti sul simulatore dedicato, ma non c’è ancora una simulazione solo sulla tettonica: è utile per capire a che punto sei con il resto della prova. Per le altre prove a tempo vedi la categoria simulazioni.

Come prepararsi nelle prossime settimane

1. Disegna una sezione della Terra e una mappa con le placche principali, segnando i tre tipi di margine con i loro esempi.
2. Impara la tabella dei margini a memoria, e le due scale con la differenza tra magnitudo e intensità.
3. Rifai i tre esercizi cambiando i numeri.
4. Prepara un collegamento da portare al colloquio: Wegener e il metodo scientifico, oppure il rischio sismico e la prevenzione.

Altre risorse sono nella pagina scienze.

Se vuoi una mano

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