|
Articolo pubblicato il 17-07-2006
di Marco Ligi1
1Istituto di Scienze Marine, Geologia Marina, CNR, Via Gobetti 101, 40129, Bologna.
Numero 30 - Anno 3
17 Luglio 2006
|
|
Una nuova classe di trasformi oceaniche
|
Introduzione
I limiti trasformi oceanici descrivono un arco di parallelo attorno al relativo polo
di rotazione e consistono in una singola, stretta (larga pochi chilometri) zona di
deformazione a carattere trascorrente che disloca due segmenti di dorsale medio-oceanica
(Wilson, 1965; Fox and Gallo, 1984).
Questo e’ in contrasto con le zone trascorrenti continentali, quali la faglia di San Andreas
e quella Nord-Anatolica, definite da un ampia (>100 km) e molto complessa area di deformazione.
L’ipotesi di Wilson (1965) di una singola faglia trasforme con una ridottissima zona principale
di scivolamento trova eccezione in alcune trasformi oceaniche a grande dislocazione e a bassa
velocita’ di scivolamento (dislocazione in termini di età > 30 Myr) che possono essere incluse
in una nuova classe di limiti trasformi oceanici caratterizzati da un ampia e complessa zona
di deformazione che presenta analogie con i grandi sistemi trascorrenti continentali.
Le mega-trasformi Romanche ed Andrew Bain
Un esempio e’ la trasforme Romanche (Fig.1) che disloca la dorsale Medio-Atlantica
nell’Atlantico Equatoriale di circa 900 km (~50 Myr in termini di eta’).
Studi geofisici e petrologici hanno mostrato che la zona di deformazione tra i due
segmenti di dorsale della Romanche e’ molto ampia (> 120 km), lentiforme e
interessata da sistemi di faglie trascorrenti e normali, sub-parallele e oblique al
movimento delle placche, rispettivamente (Bonatti et al., 1994).
Inoltre la crosta oceanica e’ quasi assente per
una vasta area in prossimita’ della trasforme (Bonatti et al., 2001).
Modelli numerici predicono che il rapporto tra lunghezza della faglia e ampiezza
della zona di deformazione varia tra 5 e 10 per le zone trascorrenti continentali,
mentre per le trasformi oceaniche presenta valori molto piu’ elevati.
La trasforme Romanche mostra un valore di questo rapporto che ricade all’interno
della variazione dei sistemi continentali piuttosto che di quelli oceanici (Ligi et al. 2002).
Figura 1. A: Rilievo ombreggiato della regione equatoriale
dell’Oceano Atlantico che include il dominio trasforme Romanche.
Le linee in nero con orientazione nord-sud indicano i profili di
campionatura eseguiti sul fondale marino. Le cifre in rosso indicano
l’ età della crosta oceanica in milioni di anni.
B: Topografia e litologie affioranti in prossimità dell’ intersezione orientale
della zona di frattura Romanche con la dorsale Medio-Atlantica.
C: posizione della regione rappresentata in A lungo la dorsale Medio-Atlantica.
Un'altra mega-trasforme con caratteristiche simili alla Romanche, e’
la trasforme Andrew Bain dal nome di un geologo sudafricano (Fig. 2), che disloca
la dorsale sud-occidentale dell’Oceano Indiano di circa 750 km e rappresenta una
porzione del limite della placca Antartica. Data la bassissima velocita’ di espansione
delle due placche adiacenti alla trasforme, il tasso di scivolamento e’ molto piccolo
(~17 mm/yr) e la dislocazione in termini di eta’ ammonta a circa 50 Myr.
La trasforme Andrew Bain e’ la piu’ lunga di un insieme di quattro grandi zone
di frattura separate da corti segmenti di dorsale che include Du Toit a sud-ovest
e Marion, Prince Edwards a nord-est. La Andrew Bain sino ad ora risultava poco
conosciuta, in parte perche’ e’ posizionata in una zona remota ed inospitale
dell’Oceano Indiano.
E’ stata parzialmente investigata (Grindlay et al., 1996, Sclater et al., 2005)
e sono stati raccolti pochi campioni di roccia (Fisher and Goodwillie, 1997).
Sebbene la sismicita’ attuale sia concentrata su di una singola struttura lineare,
la topografia e le anomalie di gravita’ in aria libera derivate da misure satellitari
(Sandwell and Smith, 1997) mostrano una zona di deformazione ampia e complessa,
caratterizzata da una serie di fosse e rilievi sub-paralleli che si estendono in una
zona lunga circa 800 km e larga oltre 100 km a oltre 6500 m sotto il livello del mare.
La parte centrale del dominio trasforme e’ dominata da una serie di strutture oblique,
disposte en echelon. Sclater et al. (2005) forniscono una sintesi delle complessita’
di questa trasforme, in parte spiegata da una serie di eventi transtensivi risultanti
da cambiamenti nella geometria dorsale-trasforme-dorsale.
Figura 2. Rilievo ombreggiato della regione della dorsale
dell’Oceano Indiano sud-occidentale (SWIR) che include il dominio trasforme AndrewBain.
Nel riquadro e’ rappresentato il dettaglio dell’intersezione meridionale
dorsale-trasforme. La posizione degli epicentri dei terremoti con magnitudo superiore
3 sono indicati da punti bianchi; quelli con magnitudo > 5 e relative soluzioni
focali sono indicati con punti rossi. Nell’ area di Andrew Bain sono avvenuti i
terremoti piu’ intensi mai registrati lungo limiti di placca conservativi in zone
oceaniche. E’ interessante notare che alcuni terremoti posizionati nel dominio
trasforme hanno una forte componente estensionale.
La spedizione scientifica (S23-AB06) dell’ Istituto di Scienze Marine del Consiglio
Nazionale delle Ricerche (ISMAR-CNR), sponsorizzata dal Programma Italiano di Ricerche
in Antartide, durata oltre un mese nell’ estate australe 2005-2006 a bordo della nave
da ricerca russa R/V N.A. Strakhov, condotta nell’ Oceano Indiano nel tratto tra
l’Antartide e la punta meridionale dell’Africa, aveva come scopo prioritario la
definizione della morfologia e dello stile strutturale del dominio trasforme Andrew Bain.
I dati raccolti durante la spedizione (Ligi et al., 2006), integrati con quelli del
rilievo condotto da Grindlay et al. (1996) a bordo del R/V Knorr (KN145L16),
forniscono un quadro completo della morfologia, magnetometria e gravimetria del dominio
trasforme (Fig.2).
Questi dati costituiscono una base di confronto con le altre trasformi oceaniche a
grande dislocazione e a bassa velocita’ di scivolamento, e con alcuni grandi sistemi
trascorrenti continentali; permettono di caratterizzare i parametri che determinano
la geometria della zona di deformazione delle trasformi oceaniche fornendo dei vincoli
oggettivi ai modelli numerici che includono sia la reologia della litosfera sia il campo
di sforzo regionale; ed infine permettono di determinare le caratteristiche composizionali
dei terreni affioranti lungo il dominio trasforme ed in prossimita’ delle intersezioni
dorsale-trasforme fornendo indicazioni su come questa mega-trasforme influenzi la
risalita del mantello astenosferico e la sua fusione parziale lungo la dorsale
sud-occidentale dell’Oceano Indiano.
Metodi
L’ elaborazione e l’interpretazione dei dati raccolti includono l’utilizzo di diverse
tecniche geologico-geofisiche per la comprensione di diversi problemi interrelati.
Nei paragrafi successivi descriveremo brevemente la tipologia dei dati raccolti e
e tecniche di indagine impiegate:
Dati batimetrici e riflettivita’ del fondale
Le linee dedicate al rilievo multibeam della regione sono state concentrate
nei settori occidentale e meridionale della trasforme Andrew Bain.
Il rilievo e’ stato condotto con un sistema multibeam oceanico RESON SeaBat-8150,
12 kHz, 234 beams e con copertura di 150 gradi.
I dati raccolti integrano
perfettamente la copertura del rilievo di Grindlay et al. (1996) e permettono
l’identificazione della larghezza della valle trasforme e l’individuazione
della posizione dell’ attuale zona principale di scivolamento.
Dati gravimetrici
I valori della componente verticale del campo gravitazionale, sono
stati acquisiti utilizzando quattro gravimetri assemblati in Russia,
accoppiati, termicamente stabilizzati e istallati su una piattaforma giroscopica
a livello della linea di galleggiamento, in prossimita’ del centro di gravita’
della nave.
Gli strumenti hanno una risoluzione di 0.04 mGal ed un’accuratezza
di 0.2 mGal. L’eliminazione delle accelerazioni verticali ad alta frequenza e’
stata ottenuta tramite lo smorzamento prodotto da un liquido silico-organico.
Le anomalie di gravita’ in aria libera sono state ottenute rimuovendo il campo
normale (GRF80) dal valore osservato ed apportando la correzione di Eotvos.
Durante la crociera KN145L16 sono state acquisite quattro lunghe linee
gravimetriche parallelamente alla trasforme.
Questi dati sono stati combinati
con quelli nuovi raccolti e con quelli da satellite per ottenere una copertura
completa anche al di fuori del dominio trasforme dove i dati gravimetrici da
nave sono molto ridotti e sparsi.
Sono state prodotte carte delle anomalie di
aria libera, di Bouguer e delle derivate orizzontali prime dell’anomalia di
Bouguer, congiuntamente a profili sintetici 2-D e 2.5-D lungo e attraverso il
dominio trasforme.
Dati sismici a riflessione
Profili sismici a riflessione hanno contribuito con successo
all’ individuazione della zona principale di scivolamento attiva, delle
diverse strutture tettoniche e della distribuzione dei sedimenti ed eta’ dei
terreni all’interno del dominio trasforme Romanche (Bonatti et al, 1994;
Ligi et al., 2002).
Durante la crociera S23-AB06, sono stati acquisiti alcuni profili sismici a
riflessione multicanale ad alta risoluzione usando una stringa di due cannoni ad
aria compressa SERCEL GI-GUN in configurazione armonica (105 + 105 c.i.),
alla pressione di lavoro compresa tra i 130 e i 180 bar e un cavo di ricezione con
48 canali e distanza di intertraccia 12.5 m, per una lunghezza complessiva della
sezione attiva di 600 m.
La distanza tra sorgente e primo canale e’ stata posta a
106.5 m. In questo studio le linee sismiche raccolte hanno un puro scopo conoscitivo
e sono state processate utilizzando pacchetti software di elaborazione sismica a
standard industriale presso l’ISMAR-CNR di Bologna.
Dati magnetometrici
Durante la crociera S23-AB06, lungo tutte le linee multibeam e di transito, i
valori del campo magnetico totale sono stati acquisiti tramite il software SeaLink
della MARINE MAGNETICS, utilizzando un magnetometro SeaSpy (MARINE MAGNETICS)
trainato ad una distanza di 210 m dalla poppa della nave.
I dati magnetici raccolti
durante la crociera KN145L16 sono stati integrati con quelli nuovi per produrre una
carta delle anomalie magnetiche della regione.
In particolare la risoluzione ottenuta
fornisce indicazioni sulla presenza di attivita’ magmatica all’interno del
dominio trasforme, come proposto da Sclater et al. (2005) in prossimita’
dei bacini transtensivi nel settore settentrionale della trasforme.
Dati petrologici e geochimici
Il centro di espansione oceanica adiacente alla trasforme Andrew Bain
nel settore meridionale e’ formato da due segmenti in sovrapposizione e
lungo l’asse di questi sono stati eseguiti diversi transetti di dragaggio.
I campioni di roccia raccolti sono costituiti da basalti, gabbri e peridotiti.
I basalti sembrano essere legati ad eventi effusivi diversi, infatti una popolazione
e’ rappresentata da basalti freschi con una spessa copertura vetrosa, mentre un'altra
da rocce molto alterate ricoperte da una patina di ossidi Fe-Mn e caratterizzate da
una marcata vescicolarita’.
I gabbri presentano una tessitura variabile da grana
fine a pegmatitica e composizionalmente variano da troctoliti a olivin-gabbro.
Le peridotiti, fortemente serpentinizzate, hanno un tessitura da granulare a
porfiroclastica fino a milonitica e composizionalmente variano da harzburgiti a
lherzoliti con una forte variabilita’ modale nel contenuto di orto-pirosseni.
Dalla parete dell’alto interno in prossimita’ dell’intersezione dorsale-trasforme
sono state rinvenute peridotiti fortemente milonizzate.
Lungo la parete occidentale
della valle trasforme, per evidenziare possibili variazioni temporali nella
produzione di fuso (Bonatti et al., 2003), sono stati effettuati sette transetti
di dragaggio, ad una distanza di 30 km che corrisponde ad una distanza di circa
4 Myr in termini di eta’.
I campioni recuperati sono costituiti principalmente da peridotiti con tessitura
da granulare a porfiroclastica con composizione che varia da harzburgiti a lherzoliti.
Questi campioni presentano una forte variabilita’ del rapporto opx/ol come le peridotiti
recuperate lungo il segmento di dorsale.
Diverse intrusioni gabbroiche di alta
temperatura tagliano le rocce del mantello formando vene e aggregati centimetraci.
Sono presenti anche vene di gabbro fortemente alterate come intrusioni di bassa
temperatura lungo fratture.
Diversi campioni con gabbri e duniti sono stati recuperati
in brecce oficalcitiche cementate da carbonato di calcio.
Discussione
I segmenti di dorsale adiacenti alla trasforme Andrew Bain sono dislocati di 50 Myr
e dunque dovremo aspettarci un forte effetto di raffreddamento lungo i centri di
espansione in prossimita’ delle intersezioni dorsale-trasforme.
Una conseguenza di questo dovrebbe essere una riduzione nella produzione di fuso lungo
il segmento di dorsale procedendo dal centro verso l’intersezione con la trasforme,
con l’esposizione abbondante di rocce ultramafiche del mantello e ridotti
affioramenti di materiale basaltico, riflettendo una litosfera quasi priva di
crosta basaltica come descritto da Bonatti et al. (2001) in prossimita’
dell’intersezione orientale della Romanche (Fig. 1).
I nuovi campioni raccolti nella regione di Andrew Bain con la prevalenza di peridotiti
serpentinizzate lasciano ipotizzare questo scenario. La crosta basaltica lungo il
segmento di dorsale orientale della trasforme Romanche ha una composizione,
in prossimita’ dell’intersezione con la trasforme, compatibile con un grado
di fusione estremamente basso (Ligi et al., 2005).
Potremmo aspettarci una situazione analoga anche per la trasforme Andrew Bain,
sebbene l’influenza del punto caldo di Marion potrebbe estendersi oltre la
terminazione settentrionale del dominio trasforme (Grindlay et al., 1998;
Georgen et al., 2001).
Lungo queste lunghissime trasformi a bassa velocita’ di scivolamento,
il movimento relativo coinvolge la deformazione di una litosfera straordinariamente
fredda e spessa. Ligi et al. (2002) hanno proposto un modello che spiega la
complessita’ delle trasformi Andrew Bain e Romanche (Figs. 1 e 2): le
mega-trasformi (a grande dislocazione in termini di eta’), coinvolgendo
la deformazione di una litosfera fredda e spessa, sono inabili ad accomodare
il movimento lungo un singolo e stretto limite di placca trascorrente.
Ligi et al. (2002) hanno ipotizzato che il grande spessore litosferico, dunque
la sua reologia, sia il fattore dominante nel determinare la larghezza e la
complessa geometria delle mega-trasformi e hanno progettato un modello numerico
per analizzare l’influenza dello spessore litosferico sulla geometria di un limite
trasforme oceanico.
Questi autori hanno analizzato la geometria e l’evoluzione
delle trasformi oceaniche mediante codici numerici tri-dimensionali per simulare
il flusso astenosferico e lo stato termico al di sotto di un sistema
dorsale-trasforme-dorsale e bidimensionali agli elementi finiti per modellare
la deformazione dei materiali con una reologia complessa del tipo
visco-elastico-fragile (Fig. 3).
Figura 3. A, B: Spessore della litosfera al di sotto di una
geometria dorsale-trasforme-dorsale con differente dislocazione (100 km e 900 km
rispettivamente). Le aree con spessori > 10 km (A) e > 40 km (B) sono marcate da
spesse linee continue. C, D: condizioni al contorno per il modello bi-dimensionale
agli elementi finiti della deformazione e massimo sforzo di taglio in MPa calcolato
per le due differenti geometrie. E, F: tasso di deformazione (resinatura in grigio)
e velocità di moto delle placche per le due differenti configurazioni
dorsale-trasforme-dorsale.
Nel loro modello Ligi et al. (2002) hanno stimato lo spessore fragile della
litosfera, definito come la superficie delimitata dall’isoterma dei 600 °C
(Engeln et al., 1986), risolvendo le equazioni di conduzione e trasporto
calore e calcolando la temperatura del mantello secondo le procedure sviluppate
da Phipps Morgan e Forsyth (1988), assumendo una temperatura costante di
0 °C alla superficie e una temperatura potenziale del mantello 1330 °C
alla profondità di 150 Km.
Lo spessore litosferico ottenuto dai modelli di flusso tridimensionale e termico
e’ stato usato come parametro in ingresso per un codice bidimensionale agli
elementi finiti che simula la formazione di faglie in una litosfera fragile.
Le zone di taglio all’interno di una griglia continua di elementi finiti
approssimano le faglie (Cundall, 1989; Buck e Poliakov, 1998). Gli autori
hanno impiegato una formulazione piana del campo di sforzo e assunto una reologia
per la litosfera elasto-plastica-fragile.
I risultati del loro modello concordano perfettamente con quanto osservato per
le trasformi oceaniche (Fig. 3).
Una visione preliminare dei dati raccolti fa pensare che le caratteristiche
morfo-strutturali della zona Andrew Bain siano in parte diverse da quelle osservate
alla Romanche, ad esempio i bacini transtensionali osservati nel settore
settentrionale della trasforme Andrew Bain.
Una spiegazione di tali differenze potrebbe essere che il dominio
Andrew Bain sia soggetto ad un regime transtensivo piuttosto che trascorrente
puro o transpressivo come osservato alla Romanche. Queste differenze potrebbero
essere legate a piccole variazioni nella posizione del polo di rotazione
relativo e dunque a variazioni nella direzione della velocita’ di espansione.
Le differenze nell’assetto strutturale dei domini trasformi Andrew Bain e Romanche
implicano che anche gli sforzi verticali devono essere inclusi nel modello di Ligi
et al. (2002).
Conclusioni
Le dorsali medio-oceaniche sono dislocate da due classi di faglie trasformi:
quelle definite da una zona principale di scivolamento confinata in una regione
estremamente ridotta, come nel modello originale di Wilson (1965), e quelle
caratterizzate da una zona di deformazione ampia e complessa che si sviluppano
in presenza di una litosfera spessa e fredda (Ligi et al., 2002), quali
le trasformi Andrew Bain e Romanche.
Morfologicamente questi due domini trasformi mostrano caratteristiche simili
alle faglie trascorrenti di San Andreas nella California meridionale e Nord
Anatolica nel Mar di Marmara.
I limiti di placca conservativi (trasformi) costituiscono zone geologicamente
attive caratterizzate da un’intensa attività sismica e movimenti verticali di
piccoli blocchi litosferici.
Come nel caso degli oceani, se un limite di placca conservativo e’ in transtensione o
in transpresione questo deve determinare come la litosfera e la crosta si deformano
influenzando il meccanismo di rottura, l’ampiezza e i parametri focali di un terremoto.
In altri termini, l’analisi della deformazione lungo i domini trasformi oceanici
potrebbe avere facilmente ricadute per la comprensione della stessa lungo i grandi
sistemi trascorrenti continentali.
Queste zone se poste in prossimità di regioni densamente popolate, sono aree ad
alto rischio in termini di vite umane e danni materiali (ad esempio il rischio
sismico di città come San Francisco e Los Angeles in prossimità della Faglia di
San Andreas, ed Istanbul, in Turchia in prossimità della Faglia Nord Anatolica).
La presente ricerca con lo studio e la modellazione della deformazione delle
mega-trasformi oceaniche Andrew Bain e Romanche, porta contributi alla conoscenza
generale dei movimenti trascorrenti e dunque a migliorare la nostra abilità a predire
la deformazione attorno ad aree popolate che giacciono vicino a grandi sistemi
trascorrenti continentali.
Riferimenti bibliografici
Bonatti, E., D. Brunelli, P. Fabretti, M. Ligi, R.A. Portaro and M. Seyler, Steady-state creation of crust-free lithosphere at cold spots in mid-ocean ridges, Geology, 29, 979-982, 2001.
Bonatti E., M. Ligi, L.Gasperini, A.Mazarovich, Y.Raznitsin and Y.J.Chen - Transform migration and vertical tectonics at the Romanche fracture zone, equatorial Atlantic, Journal of Geophysical Research, 99, 21779-21802, 1994.
Buck, W.R. and A.N.B. Poliakov, Abyssal hills formed by stretching oceanic lithosphere, Nature, 392, 272-275, 1988.
Cundall, P.A., Numerical experiments on localization in frictional materials, Ingenieur Archives, 58, 148–159, 1989.
Engeln, J.F., D.A. Wiens and S. Stein, Mechanisms and depths of Atlantic transform earthquakes, J. Geophys. Res., 91, 548–577, 1986.
Fisher, R. L., and A. M. Goodwillie, The physiography of the Southwest Indian Ridge, Mar. Geophys. Res., 19, 451–455, 1997.
Fox, J.P. and D.G. Gallo, A tectonic model for ridge-transform-ridge plate boundaries; implications for the structure of oceanic lithosphere, Tectonophysics, 104, 205–242, 1984.
Georgen, J.E., J. Lin and H.J.B. Dick, Evidence from gravity anomalies for interactions of the Marion and Bouvet hotspots with the Southwest Indian Ridge: effects of transform offsets, Earth Planet. Sci. Lett., 187, 283-300, 2001.
Grindlay, N.R., J.A. Madsen, C. Rommevaux and J.G. Sclater, A different pattern of ridge segmentation and mantle Bouguer gravity anomalies along the ultra-slow spreading Southwest Indian Ridge (15 degrees 30 ' E to 25 degrees E), Earth Planet. Sci. Lett., 161, 243-253,1998.
Grindlay, N.R., J.A. Madsen, C. Rommevaux, J.G. Sclater and S. Murphy, Southwest Indian Ridge 158 E–358 E: A geophysical investigation of an ultra-slow spreading midocean ridge system, InterRidge, 5, 7–11, 1996.
Ligi, M., E. Bonatti, S. Skolotnev, A. Peyve, N.R. Grindlay, J.G. Sclater, G. Bortoluzzi, D. Brunelli, A. Cipriani, R. Mercuri, F. Muccini, E. Paganelli, F. Zaffagnini, C. Takeuki, Y. Baramykov, N. Chamov, S. Erofeev, A. Eskin, S. Kolodyazhny, A. Pertsev, V. Semenov, V. Rastorgyev, N. Tsukanov, N. Turko, V. Yefimov and L. Zotov, Report on the morphobathymetric, magnetometric, gravimetric, multichannel reflection seismic and dredging investigations during cruise S23-AB06 aboard R/V A.N.Strakhov, ISMAR-BO Technical Report, 100, pp 48, 2006.
Ligi, M., E. Bonatti, A. Cipriani and L. Ottolini, Water-rich basalts at mid-ocean-ridge cold spots, Nature, 434, 66-69, 2005.
Ligi, M., E. Bonatti, L. Gasperini, and A.N.B. Poliakov, Oceanic broad multifault transform plate boundaries, Geology, 30, 11-14, 2002.
Phipps Morgan, J. and D.W. Forsyth, Three-dimensional flow and temperature perturbations due to a transform offset: Effects on oceanic crustal and upper mantle structure, J. Geophys.Res., 93, 2955–2966, 1988.
Sandwell, D.T. and W.H.F. Smith, Marine gravity anomaly from Geasat and ERS-1 satellite altimetry, J. Geophys. Res., 102, 10 039–10 054, 1997.
Sclater, J.G., N.R. Grindlay, J.A. Madsen and C. Rommevaux, Tectonic interpretation of the Andrew Bain transform fault: Southwest Indian Ocean, Geochem. Geophys. Geosys., 6, Q09K10, doi: 10.1029/2005GC000951, 2005.
Wilson, J.T., A new class of faults and their bearing on continental drift, Nature, 207, 343-347, 1965.
|
Autore: Marco Ligi1
1Istituto di Scienze Marine, Geologia Marina, CNR, Via Gobetti 101, 40129, Bologna.
Scarica questo articolo nel tuo computer
 
© 2006 Scienzaonline.com
|
|
|
