Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

La crosta terrestre non è un guscio statico; è uno strato dinamico che si sposta, si piega e si tende costantemente sotto una pressione immensa. Quando le rocce nelle profondità del sottosuolo vengono schiacciate e riscaldate, non sempre si spezzano come vetro fragile. Invece, possono fluire lentamente nell'arco di milioni di anni, un processo noto come deformazione duttile. Questo movimento lento e plastico è fondamentale per comprendere come si formano le catene montuose e come il pianeta rilascia lo stress. Per costruire modelli accurati di questi eventi, i geologi devono sapere esattamente quando le rocce si stavano muovendo. Tuttavia, determinare l'età di questo flusso lento è stato a lungo un enigma. I metodi tradizionali spesso assumono che, mentre le rocce si deformano, i loro orologi chimici interni vengano automaticamente azzerati, fornendo una cronologia chiara dell'evento. Ma questa ipotesi si basa sull'idea che le rocce siano perfettamente mescolate e chimicamente uniformi, un'idea difficile da verificare senza guardare estremamente da vicino il mondo microscopico all'interno della roccia.

Un team di ricercatori provenienti da università della Svizzera e della Germania ha ora sfidato questa ipotesi di lunga data esaminando una specifica sezione della crosta terrestre nelle Alpi svizzere. Si sono concentrati su una zona in cui l'antico granito era stato schiacciato in una roccia a grana fine e fluente chiamata milonite. Combinando mappe chimiche ad alta risoluzione con tecniche di datazione precise, hanno scoperto che il semplice atto di schiacciare la roccia non è sufficiente per azzerare il suo orologio interno. Invece, hanno scoperto che la presenza di fluidi ricchi d'acqua è l'ingrediente critico che permette ai sistemi chimici della roccia di resettarsi e registrare il tempo della deformazione. Questa scoperta cambia il modo in cui gli scienziati interpretano la storia della formazione delle montagne, suggerendo che senza fluidi, la roccia conserva i vecchi ricordi del suo passato, anche mentre viene schiacciata e rimodellata.

I ricercatori hanno studiato una sezione della nappes Gotthard, una massiccia lastra di roccia nelle Alpi svizzere che è stata spinta verso l'alto durante la collisione tra le placche tettoniche europea e adriatica. Hanno raccolto campioni di granito che erano stati deformati in vari gradi, da rocce solo leggermente allungate a rocce che erano state macinate in una milonite fine e ultra-liscia. Utilizzando microscopi avanzati e analizzatori chimici, hanno creato mappe dettagliate dei minerali all'interno di queste rocce, guardando specificamente alla mica bianca, alla biotite e al feldspato. Questi minerali fungono da orologi naturali perché contengono elementi radioattivi che decadono a un ritmo noto, permettendo agli scienziati di calcolare quanto tempo fa i minerali si sono formati o sono stati l'ultima volta resettati chimicamente. Il team ha utilizzato due diversi metodi di datazione, uno basato sul gas argon intrappolato nei minerali e un altro basato sul rapporto degli isotopi dello stronzio, per misurare l'età di diverse parti dello stesso campione di roccia.

Ciò che hanno trovato è stato sorprendente. Nelle rocce che erano state solo moderatamente deformate, gli orologi chimici mostravano una vasta gamma di età, alcune molto antiche e altre più giovani. Man mano che ci si avvicinava alle parti più intensamente deformate della zona di taglio, dove la roccia era stata macinata in una pasta fine, si aspettavano di trovare un'età singola e uniforme che rappresentasse il tempo dello schiacciamento. Inveve, hanno scoperto che le rocce più deformate contenevano ancora quantità significative di materiale antico non resettato. L'abbondanza di questi "reliquiati" isotopici antichi aumentava effettivamente con l'intensità della deformazione. Ciò contraddiceva direttamente l'ipotesi che la deformazione e le reazioni chimiche avvengano in perfetto sincronismo. Se la roccia fosse stata semplicemente mescolata dallo stress fisico della formazione delle montagne, le vecchie firme chimiche sarebbero dovute essere cancellate. Il fatto che siano rimaste suggerisce che la sola deformazione fisica non può resettare l'orologio interno della roccia.

La chiave per sbloccare la vera tempistica della deformazione risiedeva nei fluidi. I ricercatori hanno identificato tre generazioni distinte di minerali. I minerali più antichi, che si erano formati prima dell'inizio della formazione delle montagne, erano preservati nei nuclei di alcuni cristalli. Una seconda generazione si è formata durante il picco della formazione delle montagne, ma questi minerali hanno resettato completamente i loro orologi chimici solo nelle aree in cui erano presenti i fluidi. La terza generazione è apparsa più tardi, durante una fase di raffreddamento, ed era chiaramente legata all'arrivo di nuovi fluidi che hanno causato il cambiamento della composizione dei minerali. Separando attentamente queste diverse generazioni minerali in base alle loro impronte chimiche, il team è stato in grado di individuare momenti specifici nel tempo. Hanno determinato che la fase principale della formazione delle montagne e la relativa deformazione duttile sono avvenute tra circa 18,8 milioni e 17,1 milioni di anni fa. Una fase successiva di raffreddamento e movimento dei fluidi è avvenuta intorno a 13,3 milioni di anni fa.

Lo studio ha anche rivelato che i fluidi sono stati i principali motori del riequilibrio chimico e isotopico, piuttosto che lo schiacciamento fisico della roccia o la temperatura da sola. Sebbene le rocce non fossero in un sistema perfettamente chiuso, i ricercatori hanno scoperto che la milonitizzazione è avvenuta in un sistema semi-chiuso con un accesso limitato a fluidi derivati dall'esterno. Nelle zone più deformate, le firme chimiche indicavano che i fluidi erano scarsi, motivo per cui i vecchi segnali isotopici persistevano nonostante l'intensa deformazione. Era solo dove i fluidi facilitavano le reazioni che gli orologi isotopici venivano resettati per registrare l'età della deformazione. I ricercatori hanno concluso che il movimento dei fluidi, piuttosto che lo schiacciamento fisico della roccia o la temperatura da sola, è stato il motore primario che ha permesso ai minerali di riequilibrarsi e registrare l'età della deformazione. Ciò significa che per datare accuratamente quando una catena montuosa veniva costruita, i geologi devono prima comprendere il ruolo dei fluidi e utilizzare la mappatura chimica per distinguere tra i minerali che si sono formati durante l'evento e quelli che sono solo vecchi resti.

Questo lavoro ha implicazioni significative per il modo in cui calcoliamo la velocità con cui la crosta terrestre si deforma. Identificando i minerali specifici che sono stati resettati dai fluidi durante la deformazione, i ricercatori hanno calcolato un tasso di deformazione di circa $8,68 \times 10^{-14}$ al secondo. Si tratta di una misura di quanto velocemente la roccia si stava allungando. La loro stima è più accurata dei calcoli precedenti perché evita di mescolare minerali vecchi e nuovi, un errore comune negli studi precedenti. Questo tasso preciso aiuta gli scienziati a collegare il lento movimento profondo della crosta terrestre ai terremoti più rapidi e fragili che avvengono vicino alla superficie. Mostra come l'accumulo lento di stress nel mezzo della crosta possa essere direttamente collegato al rilascio improvviso di energia nella crosta superiore.

Le scoperte forniscono anche un quadro più chiaro della storia geologica delle Alpi. La tempistica della deformazione si allinea con il movimento verso ovest della catena montuosa, suggerendo un collegamento diretto tra lo stretching duttile profondo della crosta e il ripiegamento più superficiale che ha creato le montagne del Jura. Lo studio mostra che la roccia è stata esumata, ovvero portata in superficie, da una profondità di circa 33 chilometri a circa 16 chilometri in un periodo di quattro milioni di anni, raffreddandosi da temperature di circa 537 gradi Celsius a 340 gradi Celsius. Questo raffreddamento e risalita sono avvenuti a un tasso di circa 4,3 chilometri per milione di anni.

In definitiva, questa ricerca dimostra che la storia della formazione delle montagne è scritta nei dettagli chimici delle rocce, ma solo se sappiamo come leggerli. La presenza di fluidi è la chiave essenziale che permette agli orologi interni delle rocce di resettarsi e registrare il tempo della deformazione. Senza fluidi, la roccia conserva la sua vecchia storia, anche mentre viene rimodellata. Questa intuizione impone un cambiamento nel modo in cui i geologi approcciano la datazione della crosta terrestre. Non è più sufficiente schiacciare una roccia e datarla; gli scienziati devono ora mappare la composizione chimica dei minerali per trovare le parti specifiche che sono state resettate dai fluidi. Questo approccio assicura che le date ottenute riflettano veramente il momento in cui le montagne venivano costruite, piuttosto che un mix di eventi vecchi e nuovi. Lo studio conferma che i fluidi, non solo il calore o la pressione, sono i principali motori del cambiamento chimico nelle profondità della Terra, e che comprendere questa relazione è vitale per ricostruire la dinamica storia del pianeta.