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Tema

magma

dentro la terra

La parola magma indica un insieme disordinato e caotico di elementi generato dalla fusione parziale delle rocce della crosta inferiore e del mantello, la cui composizione consiste di silicati e di gas disciolti in soluzione o liberi sotto forma di bolle.

I principali elementi presenti nella soluzione magmatica sono ossigeno (O), Silicio (Si), alluminio (Al), Ferro (Fe), Magnesio (Mg), Calcio (Ca) e Potassio (K), i rimanenti elementi della tabella periodica sono presenti solo in tracce.

Il magma nell’immaginario collettivo rappresenta ancora il fuoco dell’interno della Terra secondo la visione aristotelica di Athanasius Kircher (1601-1680), gesuita del collegio romano. Secondo Kircher la Terra ha una struttura immutata e immutabile nel tempo, formata da un fuoco centrale e da fuochi periferici raccolti in caverne che giungono in superficie attraverso i vulcani. La presenza del fuoco all’interno della Terra sarebbe dimostrato dalla presenza dei montes flammivomi, cioè i vulcani, che rappresenterebbero i terminali dei fuochi sotterranei. Le caverne riempite di fuoco, indicate da Kircher con il termine pyrophilaria, al di sotto dei vulcani hanno una struttura simile a quella che oggi i vulcanologi indicano con il termine camera magmatica, confermando in parte l’interpretazione Kircheriana.

Anche la teoria Kantiana (1755) della formazione del nostro pianeta da una nube di gas ad alta temperatura e in lenta rotazione e contrazione, sostenuta da Laplace (1796), concorrerà a ritenere i vulcani strutture che canalizzano verso la superficie la materia fusa della nebulosa primordiale. Le teorie sull’interno della Terra emerse nel Settecento non abbandoneranno la tesi della presenza di un fuoco interno, ma conterranno un forte elemento di novità nel superamento dell’immutabilità Kircheriana attraverso l’evoluzione della materia della nebulosa iniziale nella formazione dei singoli corpi celesti. L’evoluzione della nebulosa che porterà alla formazione del nostro pianeta era già stata descritta da Cartesio nei «Principie philosophiae» (1644), ma i tempi non erano maturi perché la Chiesa potesse accettare tali interpretazioni in aperto contrasto con il creazionismo della Bibbia. La condanna di Galileo nel 1633 aveva spinto gli studiosi di geologia e cosmologia della seconda metà del Seicento a trovare un accordo tra fenomeni geologici e Bibbia.

Cartesio sarà il precursore della teoria dell’origine fredda della Terra, pur mancando delle conoscenze sull’attrazione newtoniana e della radioattività delle rocce, processi, entrambi, che consentono ad un corpo freddo che si accresce per aggregazione di piccoli corpi solidi di innalzare la propria temperatura fino alla fusione degli elementi che la compongono. Il processo prevede l’aumento della temperatura: per la trasformazione dell’energia meccanica in calore in seguito alla collisione dei corpi; per la compressione gravitazionale della massa aggregata che riducendo il proprio volume innalza la sua temperatura; per la disintegrazione degli isotopi radioattivi che liberano particelle e radiazioni nelle rocce circostanti innalzandone la temperatura. Questa sarebbe cresciuta non solo durante la formazione del pianeta ma anche successivamente per il contributo della disintegrazione degli elementi radioattivi. Circa un miliardo di anni dopo la formazione della Terra, alle profondità comprese tra 400 e 800 chilometri la temperatura raggiunse il punto di fusione del ferro, nonostante la considerevole crescita della pressione con la profondità che innalza il valore della temperatura di fusione. Il ferro fuso piú pesante di altri elementi cominciò ad affondare verso il centro della Terra, sostituendosi ai materiali piú leggeri. Lo sprofondamento del ferro rilasciò una grande energia gravitazionale che si convertí in calore, innalzando la temperatura media dell’interno del pianeta di circa 2000° C, producendo la fusione di una gran parte della Terra.

Questo processo noto come la catastrofe del ferro diede inizio ad una profonda riorganizzazione della struttura interna della Terra. Circa un terzo della massa del primitivo pianeta affondò verso il centro e la parte rimanente subí una fusione parziale. Le parti fuse, piú leggere, migrarono verso l’alto a formare la crosta primordiale. Tra il nucleo denso, costituito prevalentemente di ferro, e la sottile crosta di materiale leggero, si formò uno strato di grande spessore – circa 3000 chilometri – dove si collocò tutta la massa rimanente. Questa complessa successione di fenomeni trasformò una massa omogenea nella struttura stratificata che oggi conosciamo. Il calore prodotto nella Terra primordiale per compressione e per decadimento radioattivo venne trasferito verso la superficie per conduzione, ma il processo fu troppo lento perché potesse essere smaltita tutta l’energia prodotta, cosí questa in parte si accumulava, producendo un incremento della temperatura delle rocce. Quando il mezzo per l’aumento della temperatura ridusse la sua rigidità avvicinandosi al punto di fusione, cominciò a migrare verso la superficie trasferendo energia con un moto convettivo, processo molto piú rapido ed efficace della conduzione. Il moto convettivo si genera perché il materiale sottoposto ad un aumento di temperatura si dilata, e diventando piú leggero del materiale sovrastante tende a migrare verso l’alto per galleggiamento, trasferendo calore in superficie, dove si raffredda. Una volta che ebbe inizio la convezione all’interno della Terra, il calore fu dissipato rapidamente ed il pianeta si raffreddò rapidamente. Questo processo fece solidificare il mantello, mentre il nucleo rimase fuso. Sebbene il processo convettivo è comunemente osservato nei liquidi e nei gas, questo può rilevarsi anche nei solidi. In particolari condizioni le rocce riscaldate si muovono lentamente verso l’alto in quanto la loro densità diminuisce con l’espansione.

Questo processo è di grande rilevanza anche per la dinamica attuale della Terra, infatti le celle convettive del mantello generano campi di forze che producono l’espansione dei fondi oceanici e la deriva dei continenti. La crosta che forma il guscio esterno della Terra è il prodotto dell’instabilità termica del mantello, oggi come nel lontano passato. La fusione delle rocce del mantello genera il magma che giunge in superficie attraverso i condotti degli apparati vulcanici e si espande come lava o si distribuisce come lapilli, cenere, tufi in seguito a processi di frammentazione del magma per azione dei gas in rapida espansione nella soluzione. I gas emessi dai vulcani in una Terra primordiale consentiranno la formazione dell’atmosfera liberando acqua, anidride carbonica ed altri gas. Nonostante le elevate temperature riscontrate nel sottosuolo, la diffusa presenza dei vulcani e la formazione di celle convettive nel mantello, non viviamo su una crosta che galleggia su uno strato di magma prodotto dalla fusione del mantello e tanto meno deve considerarsi fuso l’intero mantello per uno spessore di circa 2800 chilometri . La propagazione delle onde sismiche all’interno della Terra indica in modo inequivocabile che la crosta ed il mantello sono solidi e la loro composizione chimica e minearologica dipende dai processi che hanno interessato la Terra nella sua formazione. Se si accetta la teoria che la Terra si sia formata per accrezione di masse dense eterogenee e relativamente fredde, ne discende che il mantello sarebbe stato costituito da masse di diverse dimensioni, età e composizione, saldate insieme da processi metamorfici.

Il passaggio da una Terra primordiale eterogenea ad una Terra stratificata in gusci omogenei come l’attuale, avviene in seguito alla fusione delle masse piú interne della Terra corrispondenti all’attuale nucleo e mantello inferiore, per la conversione dell’energia gravitazionale in energia termica, mentre crosta e mantello sono stati interessati da processi di differenziazione di una massa fusa omogeneizzata inizialmente per convezione. Se le onde sismiche che attraversano la crosta ed il mantello rivelano che le rocce costituenti sono allo stato solido, invece altri fenomeni geologici di lunga durata – come il corrugamento delle catene montuose ed il loro sollevamento, la lenta risalita di masse continentali liberate dai ghiacciai nella fase postglaciale e lo stesso moto delle zolle rigide che costituiscono il guscio esterno della Terra –, mostrano che crosta e mantello hanno un comportamento da fluidi ad elevata viscosità. Si può pertanto affermare che le condizioni fisiche della crosta e del mantello siano tali che questa parte del pianeta ha un comportamento da mezzo rigido quando è sollecitato da azioni di breve durata, come ad esempio i terremoti, mentre si comporta da fluido ad elevata viscosità quando è sottoposta ad azioni di lunga durata come il carico di una catena montuosa o di grandi spessori di sedimenti.

Abbiamo mostrato che il magma si genera per fusione delle rocce del mantello e della crosta, resta da conoscere dove avviene tale processo. Anche in questo caso lo studio delle onde sismiche risulta lo strumento di indagine piú efficace, infatti la diminuzione della loro velocità e l’incremento della loro attenuazione suggerisce che vaste zone del mantello siano parzialmente fuse – dal 5 all’8% – alle profondità comprese tra 70 e 150 chilometri. Altre zone che mostrano segnali di fusione parziale del mantello si rinvengono a profondità di 300-400 chilometri, mentre sembrano da escludersi possibili fusioni parziali al di sotto degli antichi blocchi continentali e delle zone oceaniche piú antiche.

Gli accumuli di magma piú superficiali si rinvengono nelle zone di apertura degli oceani dove la Teoria della Tettonica a zolle prevede la formazione di nuova crosta. Le zone di generazione dei magmi primari possono individuarsi a parecchie centinaia di chilometri di profondità, in tal caso la parte liquida aumenta man mano che la massa magmatica migra verso la superficie. Fin quando si genera magma all’interno della Terra il pianeta è vivo, perché tale processo indica che all’interno del mantello non si è raggiunto l’equilibrio termico, pertanto continuano i processi tettonici e la superficie della Terra si evolve con la scomparsa dei vecchi continenti sostituiti da nuova massa continentale formata inizialmente da masse magmatiche effuse e cosí nasceranno nuovi oceani mentre gli antichi bacini si riducono fino a scomparire.

Giuseppe Luongo