Visualizza wikitesto di Espansione del fondale oceanico

[[File:Age of oceanic lithosphere.png|thumb|upright=1.8|Età della litosfera oceanica: le rocce più recenti (in rosso) si trovano lungo i centri di espansione dei fondali oceanici.]]

L{{'}}'''espansione del fondale oceanico''' è un processo che avviene lungo le [[Dorsale oceanica|dorsali oceaniche]] dove una nuova [[crosta oceanica]] si forma in seguito ad [[Vulcano|attività vulcanica]] e successivamente si allontana dalla dorsale.

L'espansione dei fondali contribuisce a spiegare la [[deriva dei continenti]] nella teoria della [[tettonica delle placche]]. Quando una placca oceanica diverge, lo stress tensionale provoca delle fratture nella [[litosfera]]. La forza che causa l'espansione dei fondali oceanici è legata alla trazione delle placche tettoniche più che alla pressione del [[magma]] sottostante, anche se tipicamente è presente una importante attività magmatica nelle dorsali in espansione.<ref name="nature.com">{{Cita pubblicazione|cognome=Tan|nome=Yen Joe |cognome2=Tolstoy |nome2=Maya |cognome3=Waldhauser|nome3=Felix |cognome4=Wilcock |nome4=William S. D.|titolo=Dynamics of a seafloor-spreading episode at the East Pacific Rise|url=https://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature20116 |rivista=Nature|volume=540|numero=7632|pp=261-265|doi=10.1038/nature20116}}</ref>

== Velocità di espansione ==
In un centro di espansione il magma [[Basalto|basaltico]] risale lungo la frattura e si raffredda al contatto con l'acqua andando a formare nuovo [[fondale marino]]. La presenza di [[Sorgente idrotermale|sorgenti idrotermali]] è abbastanza comune nei centri di espansione. Dato il continuo moto di allontanamento dal centro di fuoriuscita della roccia di nuovo apporto, ne consegue che le rocce di formazione più recente sono quelle più vicine al centro di espansione, mentre l'età della roccia aumenta con la distanza dal punto di espansione.

[[File:Polarityshift.gif|alt=|thumb|Strisce magnetiche formatesi durante l'espansione di un fondale oceanico.]]
La velocità di espansione è la velocità con cui un [[bacino oceanico]] si allarga a causa dell'espansione del suo fondale. Se si considera solamente la velocità con cui nuova litosfera oceanica viene aggiunta a ognuna delle due parti di una dorsale oceanica, questa viene chiamata ''semi-velocità di espansione'' e ovviamente è uguale alla metà della velocità complessiva. La velocità di espansione non è identica per tutte le dorsali, per cui si considerano dorsali rapide quelle la cui velocità di espansione è superiore a 90&nbsp;mm/anno; dorsali intermedie quelle con tassi di espansione di 40–90&nbsp;mm/anno e dorsali lente quelle con velocità inferiore a 40&nbsp;mm/anno.<ref name="nature.com" /><ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Macdonald|nome=Ken C.|capitolo=Mid-Ocean Ridge Tectonics, Volcanism, and Geomorphology|data=2019|pubblicazione=Encyclopedia of Ocean Sciences|pp=405-419|editore=Elsevier|lingua=en|doi=10.1016/b978-0-12-409548-9.11065-6|isbn=9780128130827}}</ref><ref name=":1">{{Cita pubblicazione|cognome=Macdonald|nome=K. C.|data=1982|titolo=Mid-Ocean Ridges: Fine Scale Tectonic, Volcanic and Hydrothermal Processes Within the Plate Boundary Zone|rivista=Annual Review of Earth and Planetary Sciences|volume=10|numero=1|pp=155-190|doi=10.1146/annurev.ea.10.050182.001103|bibcode=1982AREPS..10..155M}}</ref><ref>{{Cita libro|titolo=Mid-ocean ridges|cognome=Searle|nome=Roger|editore=Cambridge|anno=2013|isbn=9781107017528|città=New York|oclc=842323181}}</ref>

La più alta velocità di espansione conosciuta raggiunse i 200&nbsp;mm/anno nella [[dorsale del Pacifico orientale]] nel corso del [[Miocene]].<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Wilson|nome=Douglas S.|data=15 ottobre 1996|titolo=Fastest known spreading on the Miocene Cocos-Pacific Plate Boundary|rivista=Geophysical Research Letters|lingua=en|volume=23|numero=21|pp=3003-3006|doi=10.1029/96GL02893|bibcode=1996GeoRL..23.3003W}}</ref>

Nel corso degli anni 1960 sono state rilevate evidenze di [[inversione geomagnetica]] del campo magnetico terrestre sulla base di anomalie delle strisce magnetiche di alcuni fondali oceanici.<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Vine, F. J.|cognome2=Matthews|nome2=D. H.|anno=1963|titolo=Magnetic Anomalies Over Oceanic Ridges|rivista=Nature|volume=199|numero=4897|pp=947-949|bibcode=1963Natur.199..947V|doi=10.1038/199947a0}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Vine|nome=F. J.|data=16 dicembre 1966|titolo=Spreading of the Ocean Floor: New Evidence|rivista=Science|lingua=en|volume=154|numero=3755|pp=1405-1415|doi=10.1126/science.154.3755.1405|pmid=17821553|bibcode=1966Sci...154.1405V|issn=0036-8075}}</ref> L'identificazione di un'inversione di età nota permette, attraverso la misurazione della distanza della striscia dal centro di espansione, di calcolare calcolare la velocità di semi-espansione.
Si è trovato che in alcune località le velocità di espansione sono asimmetriche; le differenze nelle velocità di semi-espansione possono raggiungere anche il 5%.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Weissel|nome1=Jeffrey K.|cognome2=Hayes|nome2=Dennis E.|data=1971|titolo=Asymmetric Seafloor Spreading south of Australia|rivista=Nature|lingua=en|volume=231|numero=5304|pp=518-522|doi=10.1038/231518a0|bibcode=1971Natur.231..518W|issn=1476-4687}}</ref><ref name=":3">{{Cita pubblicazione|cognome1=Müller|nome1=R. Dietmar|cognome2=Sdrolias|nome2=Maria|cognome3=Gaina|nome3=Carmen|cognome4=Roest|nome4=Walter R.|data=2008|titolo=Age, spreading rates, and spreading asymmetry of the world's ocean crust: DIGITAL MODELS OF THE WORLD'S OCEAN CRUST|rivista=Geochemistry, Geophysics, Geosystems|lingua=en|volume=9|numero=4|pp=n/a|doi=10.1029/2007GC001743|bibcode=2008GGG.....9.4006M |url=https://archimer.ifremer.fr/doc/00000/3900/}}</ref> Si ritiene che questo sia dovuto ai gradienti di temperatura dell'[[astenosfera]] nei [[Pennacchio del mantello|pennacchi del mantello]] in prossimità del centro di espansione.<ref name=":3" />

== Prime teorie ==
Le prime teorie sulla deriva dei continenti ([[Alfred Wegener]] e [[Alexander du Toit]]) postulavano che i continenti ''solcassero'' il mare. L'idea che anche il fondale marino si muovesse (trasportando con sé i continenti) durante il suo movimento di allontanamento da un asse centrale fu proposta da [[Harry Hammond Hess|Harry Hess]] dell'[[Università di Princeton]] negli anni 1960.<ref>{{Cita libro|nome=H. H. |cognome=Hess |urlcapitolo=http://www.mantleplumes.org/WebDocuments/Hess1962.pdf |capitolo=History of Ocean Basins |data=novembre 1962 |titolo=Petrologic studies: a volume to honor A. F. Buddington |curatore=A. E. J. Engel |curatore2=Harold L. James |curatore3=B. F. Leonard |città=Boulder, CO |editore=Geological Society of America |pp=599-620 |accesso=8 settembre 2010 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Dietz|nome=Robert S.|data=1961|titolo=Continent and Ocean Basin Evolution by Spreading of the Sea Floor|rivista=Nature|lingua=en|volume=190|numero=4779|pp=854-857|doi=10.1038/190854a0|bibcode=1961Natur.190..854D|issn=0028-0836}}</ref> La teoria è attualmente ben accettata e la causa del fenomeno è attribuita alle correnti [[Convezione|convettive]] che si instaurano nell'[[astenosfera]], duttile e plastica, e nella litosfera che invece è rigida e fragile.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Elsasser|nome1=Walter M.|titolo=Sea-Floor Spreading as Thermal Convection|rivista=Journal of Geophysical Research|volume=76|p=1101|anno=1971|doi=10.1029/JB076i005p01101|bibcode=1971JGR....76.1101E}}</ref>

==Espansione continua e subduzione==
[[File:Ridge render.jpg|thumb|upright=1.4|Espansione in una dorsale oceanica]]
[[File:Mid-ocean ridge topography.gif|thumb|[[Accrezione (geologia)|Accrezione]] di materiale proveniente dal mantello terrestre e che fuoriesce lungo l'asse di una dorsale oceanica.]]
Quando nuovo fondale oceanico si forma e si separa dal centro della dorsale, esso si raffredda lentamente nel corso del tempo. Un fondale più vecchio è pertanto più freddo rispetto a uno di nuova formazione; inoltre i bacini oceanici più antichi sono in generale più profondi rispetto a quelli nuovi per effetto dell'[[isostasia]]. Considerando che il diametro terrestre rimane sostanzialmente costante nel tempo nonostante la produzione di nuova [[crosta terrestre]], questo implica l'esistenza di un meccanismo che porti alla distruzione di altra parte della crosta terrestre. Questa distruzione avviene nelle zone di [[subduzione]], dove la crosta oceanica viene forzata al disotto di un'altra parte della crosta oceanica o della crosta continentale.

Attualmente il bacino dell'oceano Atlantico è in fase di attiva espansione nella [[dorsale medio atlantica]]. Solamente una piccola porzione della crosta oceanica dell'Atlantico subisce il processo di subduzione. Invece le placche dell'oceano Pacifico vanno incontro al processo di subduzione lungo molti dei loro margini e questo provoca una intensa attività vulcanica lungo quella che viene chiamata la [[cintura di fuoco]] del Pacifico. In questo oceano si trova anche uno dei più attivi centri di espansione, la [[dorsale del Pacifico orientale]], che ha un tasso di espansione fino a 13&nbsp;cm/anno.

La dorsale medio atlantica è considerata un esempio da manuale di un centro di espansione lenta, mentre la dorsale del Pacifico orientale viene indicata come tipico esempio di espansione rapida. I differenti tassi di espansione influenzano non solo la geometria delle dorsali, ma anche la geochimica dei [[basalti]] che vengono prodotti.<ref>{{Cita libro|cognome=Bhagwat|nome=S.B.|titolo=Foundation of Geology Vol 1|anno=2009|editore=Global Vision Publishing House|isbn=978-81-8220-276-4|p=83|url=https://books.google.com/books?id=Fkw99wNiyQ0C&pg=PA83}}</ref>

Dal momento che i nuovi bacini oceanici sono meno profondi dei bacini più antichi, la capacità totale dei bacini oceanici mondiali tende a decrescere durante le fasi più intense dell'attività di espansione. Durante le fasi di apertura dell'oceano Atlantico, il livello dell'acqua del mare era così alto che nel Nord America si formò il [[Mare interno occidentale]], che andava dal [[Golfo del Messico]] all'[[Oceano Artico]].

==Topografia globale dei fondali oceanici: il modello del semispazio==
La profondità del fondale oceanico (o l'altezza di un punto della dorsale oceanica rispetto a un livello base) è strettamente correlata con la sua età, vale a dire l'età della litosfera nel punto di misurazione della profondità. La relazione tra età e profondità può essere modellizzata dal raffreddamento della placca litosferica<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Sclater |nome=John G.|cognome2=Anderson|nome2=Roger N.|cognome3=Bell|nome3=M. Lee|data=10 novembre 1971|titolo=Elevation of ridges and evolution of the central eastern Pacific|rivista=Journal of Geophysical Research|lingua=en|volume=76|numero=32|pp=7888-7915|doi=10.1029/jb076i032p07888|issn=2156-2202| bibcode=1971JGR....76.7888S}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Parsons|nome=Barry|cognome2=Sclater|nome2=John G.|data=10 febbraio 1977|titolo=An analysis of the variation of ocean floor bathymetry and heat flow with age|rivista=Journal of Geophysical Research|lingua=en|volume=82|numero=5|pp=803-827|doi=10.1029/jb082i005p00803|issn=2156-2202|bibcode=1977JGR....82..803P}}</ref> o con il modello del semispazio nelle aree prive di una subduzione significativa.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Davis |nome1=E.E |cognome2=Lister |nome2=C. R. B. |titolo=Fundamentals of Ridge Crest Topography |rivista=Earth and Planetary Science Letters |editore=North-Holland Publishing Company |volume=21 |pp=405-413 |anno=1974 |doi=10.1016/0012-821X(74)90180-0 |bibcode=1974E&PSL..21..405D}}</ref>

Nel modello del semispazio, l'altezza del fondale marino è determinata dalla temperatura della [[litosfera]] oceanica in seguito alla [[dilatazione termica]], mentre nuova litosfera oceanica viene continuamente formata con una velocità costante nelle [[dorsali oceaniche]]. La sorgente della litosfera ha la forma di un semipiano (x = 0, z < 0) e una temperatura costante T<sub>1</sub>. A causa della continua formazione, per x > 0 la litosfera si allontana dalla dorsale a velocità costante v, che è assunta grande in confronto ad altre scale tipiche nel problema.<br />
La temperatura sul margine superiore della litosfera (z=0) viene considerata la costante T<sub>0</sub> = 0. Di conseguenza per x = 0 la temperatura è la [[funzione gradino di Heaviside]] <math>T_1\cdot\Theta(-z)</math>.<br />
Si assume infine che il sistema sia in stato quasi-stazionario, cosicché la distribuzione di temperatura è costante nel tempo, cioè T=T(x,z).

Facendo i calcoli nel sistema di riferimento della litosfera in movimento (con velocità v), che ha coordinate spaziali x' = x-vt, possiamo scrivere T = T(x',z,t) e usare l'[[equazione del calore]]:
<math>\frac{\partial T}{\partial t} = \kappa \nabla^2 T  = \kappa\frac{\partial^2 T}{\partial^2 z} + \kappa\frac{\partial^2 T}{\partial^2 x'}</math>
dove <math>\kappa</math> è la [[diffusività termica]] della litosfera del mantello.

Poiché T dipende da x' e t solamente attraverso la combinazione <math>x = x'+vt</math>, otteniamo:
<math>\frac{\partial T}{\partial x'} = \frac{1}{v}\cdot\frac{\partial T}{\partial t}</math>

Così:
<math>\frac{\partial T}{\partial t} = \kappa \nabla^2 T  = \kappa\frac{\partial^2 T}{\partial^2 z} + \frac{\kappa}{v^2}\frac{\partial^2 T}{\partial^2 t}</math>

Possiamo ora usare l'assunzione che <math>v</math> è grande in confronto ad altre scale del problema; possiamo pertanto trascurare l'ultimo termine dell'equazione e ottenere un'[[equazione di diffusione]] 1-dimensionale: 
<math>\frac{\partial T}{\partial t} =  \kappa\frac{\partial^2 T}{\partial^2 z}</math>
con le condizioni iniziali
<math>T(t=0) = T_1\cdot\Theta(-z)</math>.

La soluzione per <math>z\le 0</math> è data dalla [[funzione degli errori]] <math>\operatorname{erf}</math>:

:<math>T(x',z,t) = T_1 \cdot \operatorname{erf} \left(\frac{z}{2\sqrt{\kappa t}}\right)</math>.

Data la grande velocità, la dipendenza dalla temperatura nella direzione orizzontale è trascurabile, e l'altezza al tempo t (ossia del fondale all'età t) può essere calcolata integrando la dilatazione termica su z:

:<math> h(t) = h_0 + \alpha_\mathrm{eff} \int_0^{\infty} [T(z)-T_1]dz = h_0 - \frac{2}{\sqrt{\pi}}\alpha_\mathrm{eff}T_1\sqrt{\kappa t} </math>

dove <math>\alpha_\mathrm{eff}</math> è il coefficiente di dilatazione termica volumetrica, e h<sub>0</sub> è l'altezza della dorsale oceanica (relativa ad un dato riferimento).

Da notare che l'assunzione che v sia relativamente grande è equivalente ad assumere che la diffusività termica <math>\kappa</math> sia piccola in confronto a <math>L^2/T</math>, dove L è l'ampiezza dell'oceano (misurata dalla dorsale alla [[piattaforma continentale]]) e T è la sua età.

L'effettivo coefficiente di dilatazione termica <math>\alpha_\mathrm{eff}</math> differisce dall'usuale coefficiente di dilatazione termica <math>\alpha</math> a causa dell'effetto [[Isostasia|isostatico]] del cambiamento dell'altezza della [[colonna d'acqua]] al di sopra della litosfera, che si può espandere o contrarre. I due coefficienti sono messi in relazione da:

:<math> \alpha_\mathrm{eff} = \alpha \cdot \frac{\rho}{\rho-\rho_w}</math>

dove <math>\rho \sim 3,3 g/cm^3</math> è la densità della roccia e <math>\rho_0 = 1 g/cm^3</math> è la densità dell'acqua.

Sostituendo i parametri con i loro valori stimati: <math>\kappa \sim 8\cdot 10^{-7}</math> m<sup>2</sup>/s, <math>\alpha \sim 4\cdot 10^{-5}</math>&nbsp;°C<sup>−1</sup> e T<sub>1</sub> ~1220&nbsp;°C (per l'Oceano Atlantico e Indiano) o ~1120&nbsp;°C (per l'Oceano Pacifico orientale), otteniamo:
:<math>h(t) \sim h_0 -  350 \sqrt{t}</math>

per il Pacifico orientale e:
:<math>h(t) \sim h_0 - 390 \sqrt{t}</math>
per l'Oceano Atlantico e Indiano, dove l'altezza è in metri e il tempo è in milioni di anni.
Per ottenere la dipendenza da x, si deve operare la sostituzione t = x/v ~ Tx/L, dove L è la distanza tra la dorsale e la piattaforma continentale (all'incirca metà dell'ampiezza dell'oceano) e T è l'età dell'oceano.

==Note==
<references/>

==Voci correlate==
* [[Placca tettonica]]
* [[Dorsale oceanica]]

==Altri progetti==
{{interprogetto}}

==Collegamenti esterni==
* [http://www.oceanexplorer.noaa.gov/explorations/03fire/logs/ridge.html Animazione di una dorsale oceanica in espansione]

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[[Categoria:Tettonica]]