Verso la tettonica delle placche

La teoria di Wegener della deriva dei continenti fu la scintilla che accese un nuovo modo di vedere la Terra che portò alcuni scienziati a cercare una spiegazione di come i continenti potessero muoversi. Robert Schwinner (1878-1953), un geologo e geofisico austriaco, aveva fatto rivivere una vecchia idea di von Humboldt secondo cui potrebbero esistere flussi di magma convettivi nel mantello e che i continenti stanno viaggiando loro in groppa. Il geologo e alpinista austriaco Otto Ampferer (1875-1947) ebbe un'idea simile e nel 1925 presentò il primo modello di correnti di convezione responsabili della deriva dei continenti (Fig.1). Già nel 1916 e, successivamente, nel 1928 il geologo olandese Frederik Molengraaf (1860-1942) identificò la dorsale medio atlantica come una struttura vulcanica e sostenne che poteva essere un luogo di espansione del fondo oceanico che stava separando i continenti su entrambi i lati dell'Atlantico. Ampferer seguì il suo esempio in un documento nel 1941 intitolato “Riflessioni sull’immagine del movimento dell’area atlantica”. Allo stesso modo, Arthur Holmes (1890-1965), un geologo britannico che si rese presto conto del grande potenziale della scoperta di Lord Rutherford del 1911 che la radioattività forniva un mezzo per misurare l'età dei minerali, aveva fornto una spiegazione per il motivo per cui i continenti potevano muoversi, ancora più avanzato delle teorie di Schwinner e Ampferer. Holmes suggerì che il calore intrappolato nel mantello terrestre causava correnti di convezione vaste e lente e che questa era la fonte di energia di cui Wegener aveva bisogno per far andare alla deriva i continenti. Nella prima edizione del suo libro Principles of Physical Geology, nel 1944, mostrò un disegno della convezione del mantello e scrisse: "Le correnti che scorrono orizzontalmente sotto la crosta porterebbero inevitabilmente i continenti con loro". Suggeriva anche che “le correnti (…) separano le due metà del continente originario, con conseguente costruzione di montagne dove le correnti scendono, e sviluppo del fondale oceanico sul sito della separazione, dove le correnti salgono". L'ultima affermazione si riferisce alle dorsali medio oceaniche; la loro scoperta fu un'altra pietra miliare nelle scienze della Terra che ha contribuito alla teoria della tettonica a placche, che ha progressivamente sostituito la teoria della deriva dei continenti. Ma quando, come e da chi è stata fatta la scoperta delle dorsali oceaniche?

Figura 1. Modello schematico che mostra le correnti di convezione responsabili della deriva dei continenti (Ampferer, 1925). Kontinentalscholle, continente; aufsteigende Strömung, corrente ascendente; absteigende Strömung, corrente discendente; Antrieb von innen, spinta dall'interno.

Nel 1850 Matthew Fontaine Maury (1806–1873), tenente della Marina degli Stati Uniti e oceanografo, ipotizzò una cresta nel mezzo dell'Oceano Atlantico mentre valutava i sondaggi acustici acquisiti con la nave di ricerca Dolphin. Presentò le sue scoperte in The Physical Geography of the Sea (1855, Fig. 2a). Pochi decenni dopo, la nave britannica HMS Challenger (1872–1876) partì per esplorare l'Oceano Atlantico. La prima carta batimetrica dell'intero Oceano Atlantico di Murray & Renard (1891), sintetizzata dai dati batimetrici acquisiti durante la spedizione HMS Challenger, rivela una struttura in mezzo all'oceano che può essere interpretata come una dorsale (Fig. 2b). Tuttavia, gli scarsi e rudimentali sondaggi acustici consentivano solo contorni generalizzati; doveva ancora essere realizzato un profilo più dettagliato della dorsale e del fondo oceanico. Per questo, bisogna tornare in Germania.

Fig. 2a. Prima mappa batimetrica, creata nel 1853 da Maury in collaborazione con la Marina degli Stati Uniti. 

Fig. 2b. Particolare dalla mappa del 1877 di Thomson basata sulle misurazioni della nave Challenger, che mostra la prima mappatura continua della dorsale medio-atlantica. 

Il chimico tedesco Fritz Haber (1868-1934), Premio Nobel per la chimica nel 1918 (ricevuto nel 1919) per il suo metodo per sintetizzare direttamente l’ammoniaca e paladino dell’uso dei gas tossici sui campi di battaglia della Prima guerra mondiale, suggerì che la Germania avrebbe potuto alleviare i suoi debiti dopo la guerra estraendo oro dall'acqua di mare. Questo suggerimento era basato sul presupposto che l'oro fosse contenuto nell'acqua di mare in concentrazioni di 5-10 mg per tonnellata. Haber fu quindi segretamente incaricato del progetto. Nel 1925, la nave da ricerca tedesca Meteor partì in gran segreto per esplorare sistematicamente l'Oceano Atlantico dalla regione antartica ai tropici del Nord Atlantico. Furono esaminati enormi volumi di acqua di mare per ottenere informazioni sulla chimica e la temperatura dell'acqua e si condussero circa 67.000 sondaggi acustici. Dopo due anni di ricerca, Haber dovette riscontrare che il campione della crociera del Meteor aveva un contenuto medio di oro di 0,008 mg per tonnellata di acqua di mare e che quindi aveva fallito, essendoci meno oro di quanto si pensasse in precedenza. Tuttavia, per eterogenesi dei fini, la spedizione ebbe il merito di identificare con grande dettaglio una lunga dorsale che corre lungo il centro dell'Oceano Atlantico come illustrato nella prima carta batimetrica dettagliata dell'Atlantico meridionale (pubblicata da Maurer & Stock nel 1933). La cresta identificata in seguito divenne nota come dorsale medio atlantica. Si tratta di una dorsale medio-oceanica, cioè una catena montuosa sul fondo degli oceani terrestri, una chiave importante per la teoria della tettonica delle placche.

Fig. 3 Mappatura batimetrica dell’Atlantico eseguita dalla nave tedesca Meteor tra il 1925 e il 1927.

Molte furono le ipotesi sull’origine delle dorsali medio oceaniche, fino a quando il geologo americano Harry Hess (1906-1969), che condusse un'ampia mappatura dei fondali marini durante la Seconda guerra mondiale, pubblicò nel 1962 un articolo innovativo intitolato History of Ocean Basins, in cui sviluppava l’idea di espansione del fondale marino, precursore della tettonica delle placche. Hess riprese l'intuizione di Molengraaf secondo cui il fondale marino si forma sulla dorsale medio-oceanica e si sposta orizzontalmente dalla sua cresta verso una fossa oceanica, dove è subdotto nel mantello. La convezione nel mantello è la forza trainante di questo processo. Un anno prima, Dietz (1961) aveva proposto un concetto riferito alla "diffusione della teoria dei fondali marini"; la sua argomentazione non era tuttavia necessariamente indipendente (poiché il manoscritto di Hess circolava nei circoli scientifici dal 1959) e non era così dettagliata come quella di Hess. 

Lo studio del paleomagnetismo, cioè del campo magnetico del passato, è possibile attraverso l’analisi di molte rocce, che conservano “cristallizzata” nei minerali metallici la magnetizzazione esistente al momento della loro formazione. La ricerca paleomagnetica portò alla scoperta che la magnetizzazione conservata nelle rocce antiche era in genere diversa da quella del campo geomagnetico attuale, come se il polo magnetico si fosse spostato nel tempo. Ma le misure effettuate su rocce della stessa età di continenti diversi indicavano diverse posizioni del polo magnetico. Se ne dedusse che i continenti si erano spostati, scivolando e/o ruotando sulla superficie terrestre. Inoltre, in molte rocce di età diversa, la direzione di magnetizzazione risulta opposta a quella attuale come se, al momento della loro formazione, il polo Nord e il polo Sud si fossero invertiti. In molte rocce antiche si rilevarono numerose inversioni polarità. Si concluse che nel corso del tempo il campo geomagnetico è passato alternativamente da normale (orientato con il polo Nord) a inverso (orientato con il Polo Sud). Dagli anni '50 in poi, gli oceani del mondo sono stati ampiamente studiati con l’ausilio dei magnetometri. Sono state identificate anomalie magnetiche disposte in schemi lineari sul fondo marino subparallelo rispetto alle dorsali che si espandono nell'oceano, prima sul fondo del mare al largo della California (Fig. 4) e successivamente in altri bacini oceanici. Lawrence Morley (in un articolo inizialmente rifiutato da Nature) e Vine & Matthews (1963) sono stati i primi a riconoscere la loro importanza per fornire una spiegazione per questo modello lineare, che si è sviluppato a causa di numerose inversioni del campo magnetico terrestre. In pratica, la crosta oceanica non si è formata tutta insieme, ma in tempi diversi, e risultò tanto più antica quanto più ci si allontanava dalle dorsali. Ogni banda magnetica è stata magnetizzata conservando la polarità presente quando quel pezzo di fondale oceanico si è formato nella valle centrale sull'asse della dorsale medio-oceanica (fig. 5).

Figura 4. Anomalie magnetiche al largo della costa occidentale del Nord America. Le linee tratteggiate indicano i centri di diffusione sulle dorsali oceaniche.

Figura 5. Il profilo magnetico osservato per il fondo marino attorno a una dorsale medio-oceanica concorda strettamente con il profilo previsto dall'ipotesi Vine – Matthews – Morley.

Alla luce di queste nuove scoperte, era in arrivo una migliore comprensione di come il meccanismo sembra funzionare. Alcuni scienziati erano ancora scettici riguardo all'ipotesi delle correnti di convezione come motore principale della diffusione del fondo marino, e invece preferivano un'espansione generale della Terra, ma una rivalutazione della teoria di Wegener della deriva dei continenti stava diventando sempre più necessaria e apprezzata per la spiegazione dei movimenti orizzontali della crosta.

Il primo approccio computazionale in paleogeografia fu presentato da Edward Bullard (1907-1980), Jim E. Everett e Alan G. Smith (1937-2017) nel loro famoso articolo The fit of the continents around the Atlantic (1965), che mostrava un adattamento geometrico molto accurato dei continenti circumatlantici utilizzando il primo computer EDSAC 2 dell'Università di Cambridge. Essi usarono il vero "confine del continente", cioè il margine continentale invece delle linee costiere (Fig. 6). Questo adattamento divenne noto come "Bullard fit" (adattamento di Bullard), sebbene gran parte del lavoro fosse svolto dai coautori. Anche se erano interessati solo all'approccio cinematico e non stessero discutendo il meccanismo con cui i continenti si sono divisi e gli oceani si sono formati, l’articolo di Bullard, Everett & Smith può essere visto come una transizione tra le teorie della deriva dei continenti e quella attuale della tettonica delle placche. 

Figura 6. Bullard fit. Un fathom (braccio) è un'unità di lunghezza per misurare la profondità utilizzata dalla marina inglese e americana, pari a 6 piedi (1,8288 m).