Le antiche “cicatrici” sismiche nelle rocce aiutano a conoscere meglio gli antichi terremoti

Uno studio italo – neozelandese trova le prime firme di antichi terremoti nella serpentinite

[25 Settembre 2018]

Lo studio “Dynamic earthquake rupture preserved in a creeping serpentinite shear zone” pubblicato recentemente su Nature Communications dai neozelandesi Matthew Tarling,  Steven Smith e  James Scott dell’università di Otago e da Cecilia Viti del Dipartimento di scienze fisiche, della Terra e dell’ambiente dell’università di Siena, parte da una constatazione: «I terremoti sono tra le più conosciute manifestazioni geologiche della dinamicità del nostro pianeta. In particolare, la porzione più superficiale della Terra, la crosta terrestre, è da sempre soggetta ad inesorabili movimenti delle cosiddette placche tettoniche, con conseguenti fenomeni di fratturazione e distacco, scivolamenti relativi e collisioni». Il team italo-neozelandese mette in luce come una rottura sismica determini profonde trasformazioni nelle rocce in cui si propaga, lasciando una  sorta di “cicatrice”.

La Viti spiega che «La faglia Livingstone in Nuova Zelanda è stata analizzata dalla scala kilometrica dell’affioramento, fino alla scala nanometrica ( 10^-6 mm) presso il laboratorio di microscopia elettronica a trasmissione del nostro dipartimento. Lo studio ha rivelato chiare evidenze di decomposizione dei minerali originariamente presenti e di cristallizzazione di nuovi minerali stabili solamente ad alte temperature. Tali trasformazioni rappresentano la testimonianza di un terremoto di media magnitudo (3-4), in grado di innescare un forte riscaldamento per attrito con temperature fino a circa 900°C. Questa scoperta dimostra come il forte attrito durante lo scivolamento possa determinare un localizzato aumento della temperatura, determinando profonde trasformazioni nella roccia che possono essere considerate come delle “cicatrici sismiche”: queste rappresentano le uniche chiavi dirette e tangibili a nostra disposizione per comprendere cosa accade alla roccia nel momento in cui avviene un terremoto».

All’università di Otago sottolineano  che si tratta del «Primo esempio naturale di un terremoto fossilizzato nella serpentinite (un tipo di roccia) che sta fornendo nuove conoscenze sulle forze estreme e sulle reazioni chimiche che si verificano durante le rotture sismiche».

Tarling, del Dipartimento di geologia dell’Universitàdi Otago e  principale autore dello studio, descrive come il calore estremo può essere prodotto durante i terremoti,come lo sfregamento delle mani per riscaldarsele: «Il caldo che senti proviene dall’attrito tra i palmi delle tue mani mentre si muovono l’una contro l’altra. Un processo simile si verifica durante i terremoti, mentre pezzi giganti della crosta terrestre scivolano l’uno contro l’altro lungo le superfici della faglia. Tuttavia, durante i terremoti le condizioni sono così estreme che a volte viene prodotto abbastanza calore da fondere le rocce lungo la superficie della frattura. Quando il terremoto si interrompe, il materiale fuso si raffredda e si solidifica per formare un particolare strato di roccia vetrosa: quando i geologi trovano prove di questo tipo di “fusione per attrito”, possono essere sicuri di aver trovato il sito di un antico terremoto».

Il problema è che in realtà la fusione da attrito è abbastanza rara e quindi i geologi per identificare la posizione di terremoti antichi devono cercare altre prove del riscaldamento per attrito estremo.

Nel loro studio delinea la prima evidenza della disidratazione ad alta temperatura della serpentinite  durante un antico terremoto e ci è riuscito studiando minuscoli frammenti di roccia provenienti dalla  faglia di Livingstone in Nuova Zelanda. Tarling spiega ancora: «La faglia di Livingstone è una spettacolare faglia antica che attraversa le isole Nord e Sud della Nuova Zelanda. Dato che le rocce che sono state spostate insieme dalla faglia producono terreni piuttosto aridi, ci cresce pochissima vegetazione, il che ci offre un’opportunità unica di studiare i meccanismi interni della zona di faglia in modo sorprendente»

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, il team di ricercatori ha scoperto che «sottili strati di serpentina all’interno della faglia sono stati convertiti in due nuovi minerali: olivina e pirosseno. Questo tipo di reazione si verifica solo a temperature superiori a 800° C e quando si verifica la reazione rilascia notevoli quantità di acqua che potrebbero pressurizzare la superficie della “cicatrice”». Poi il team ha poi utilizzato la modellazione numerica per dimostrare che «la reazione si è probabilmente verificata durante il riscaldamento per attrito durante un terremoto antico con una magnitudo tra 3 e 4 sulla scala Richter».

Smith è convinto che «La scoperta è un passo avanti raro e cruciale nell’identificazione delle antiche rotture da terremoto e offre anche informazioni cruciali sui processi che causano l’indebolimento delle faglie e il rilascio di energia durante la rottura. Quando si verifica un terremoto, possiamo percepire e misurare gli effetti del tremito del terreno, ma il terremoto si sta fratturando e sta avvenendo molti chilometri sotto i nostri piedi, e questo rende davvero difficile capire cosa sta succedendo. Immaginatevi di provare a ricostruire correttamente tutte le parti di un motore di un’auto semplicemente ascoltando l’auto da molti chilometri di distanza: è praticamente impossibile, e dobbiamo trovare modi più diretti di studiare la stessa frattura profonda. Quello che stiamo cercando di fare qui è capire cosa effettivamente avviene sulla superficie della faglia durante la rottura, perché quei processi sono la chiave per capire la fisica dei terremoti».

All’università di Siena evidenziano che «La ricerca, dall’approccio fortemente interdisciplinare, che ha coinvolto vari settori della geologia, dalla tettonica alla sismologia e la mineralogia, getta le basi per studi futuri che esplorino le tante variabili in gioco, tra cui la magnitudo, il contesto tettonico e il tipo di roccia».

Il 29enne Tarling è d’accordo e conclude: «Quello che abbiamo scoperto aiuterà i geologi a capire meglio il comportamento delle rocce lungo i confini delle placche tettoniche, come le zone di subduzione. Per molto tempo questo è stato compreso solo in un contesto teorico o sperimentale, ma la nostra firma appena identificata in una faglia naturale apre le porte a ulteriori scoperte riguardo alle forze estreme che hanno plasmato i continenti della Terra».