31 Ottobre 2008  -  GRANDI COLATE BASALTICHE

PROBLEMI APERTI IN RELAZIONE AL MOVIMENTO ED ALLA STRUTTURA DELLE GRANDI COLATE BASALTICHE

         Il magma basaltico ha dato origine alle rocce più diffuse nella crosta terrestre. Si ritiene che esso sia originato essenzialmente da processi di fusione parziale (dal 2 al 9%) delle peridotiti costituenti la parte superiore del mantello.

I materiali solidi sopravvissuti alla fusione parziale  mantengono ancora la stessa composizione mineralogica delle peridotiti mentre i magmi basaltici derivanti mostrano composizioni diverse e variabili.

Si ritiene che la produzione di differenti magmi basaltici da una stessa peridotite sia possibile solo se i componenti dei minerali silicatici della peridotite entrano nella frazione liquida in differenti proporzioni a seconda della pressione e temperatura vigenti durante il processo di fusione.

         I basalti hanno partecipato alla costruzione della crosta terrestre durante tutti i tempi geologici e sono presenti in tutte le principali province geologiche del globo, dai fondi oceanici ai cratoni, dalle cinture orogeniche compressive ai grandi sistemi distensivi dei rift continentali, dalle isole oceaniche agli archi di isole marginali.

Nelle aree cratoniche i basalti hanno provocato nel passato vere inondazioni laviche durante eruzioni che hanno emesso milioni di Km3 di lave ed hanno ricoperto territori di centinaia di migliaia di Kmq in tempi geologicamente brevissimi, anche inferiori ad un milione di anni.

         Le modalità di flusso delle colate basaltiche producono due principali tipologie di lave: le lave pahoehoe e le lave aa.

         Le lave pahoehoe sono colate dotate di una superficie liscia dolcemente ondulata o corrugata in forma di corde curvate nella direzione del flusso. Il loro avanzamento si manifesta generalmente in forma di lobi giustapposti e suturati tra loro, che avanzano con movimento ondulatorio e dal cui fronte fuoriescono sovente protuberanze a forma di dita.

 La sottile crosta solida dei lobi si può rompere con il proseguire dell’alimentazione magmatica dando luogo alla nascita di un nuovo lobo con il quale la colata acquisisce aumento di volume e guadagna terreno nel suo movimento verso valle.

 In questi casi il trasporto endogeno è facilitato dallo scorrimento della lava all’interno di gallerie o tubi che consentono alla lava incandescente di percorrere lunghi tragitti all’interno dei lobi anche quando essi hanno arrestato il loro movimento.

         Le lave aa  formano invece colate dotate di una spessa crosta solida che durante lo scorrimento si frattura in blocchi poiché non riesce a deformarsi plasticamente quando è trascinata dal magma fuso sottostante. Generalmente presentano un canale centrale dove scorre velocemente il magma fuso fiancheggiato da cumuli allungati di blocchi (argini). Il magma canalizzato a tratti scompare sotto la crosta solidificata scorrendo all’interno di tubi per poi riaffiorare a cielo aperto più a valle con un nuovo canale.

         Le lave pahoehoe ed aa possono convivere nella stessa colata laddove, per aumento di viscosità durante il raffreddamento, perdita di gas ed aumento di cristallinità le prime possono passare alle seconde verso valle mentre il caso opposto non è mai stato osservato.

         Le colate basaltiche possiedono due diverse modalità di scorrimento che comunemente definito come  rapido oppure isolato in base ai processi fisici che ne controllano maggiormente la messa in posto.

         Le colate a scorrimento rapido, rappresentate prevalentemente da colate aa dotate di canali che collegano la bocca al loro fronte, si muovono con velocità prevalentemente controllate dalla pendenza e dallo spessore ed in misura decisamente minore dalla viscosità.

Esse si muovono tanto rapidamente da poter raggiungere grandi distanze senza raffreddarsi eccessivamente malgrado la loro grande dispersione di calore.

La velocità di queste colate varia  con l’aumento della loro crosta. Le colate a crosta sottile (pochi cm) hanno velocità molto elevate a parità delle restanti condizioni, raggiungendo anche 10 m/sec mentre quelle a crosta di spessa (attorno ad 1 metro) possono scendere a velocità anche inferiori ad 1 m/sec.

Da misurazioni storiche,soprattutto in Islanda ed alle Hawaii, si è notato che un parametro necessario alla creazione di lunghe colate basaltiche a scorrimento rapido, oltre che il superamento di una data soglia di spessore, è rappresentato da un alto tasso di effusione, superiore a 3.000 m3/sec e da una velocità superiore a 5 m/sec.

         Le colate basaltiche a scorrimento isolato sono generalmente rappresentate da colate pahoehoe dotate spesso di  estensioni e lunghezze eccezionali che per lungo tempo hanno rappresentato grosse difficoltà di interpretazione le quali venivano risolte ricorrendo  a  tassi eruttivi particolarmente elevati, ad uno scorrimento veloce, a viscosità della lava particolarmente basse ed a condizioni topografiche favorevoli. Più recentemente, studiando soprattutto i flussi lavici attivi nelle Hawaii, si è considerato che il trasporto endogeno della lava in forma di corpi  termicamente isolati da un carapace solidificato a comportamento visco-elastico costituisce il meccanismo principale di propagazione delle colate pahoehoe.  L’azione di contenimento del carapace incrementa la pressione idrostatica del nucleo liquido che solleva la crosta appena formata e rigonfia la colata secondo un processo denominato “inflation” nella letteratura anglosassone. Il rigonfiamento iniziale, quando la crosta è sottile, può essere anche di 1 m/ora mentre diminuisce con l’ispessimento della crosta e lo spessore finale può essere raggiunto anche diversi giorni. Il processo si manifesta a livello dei singoli lobi il cui rigonfiamento avviene con modalità differenti a seconda della misura del tasso di effusione.

Con tassi effusivi bassi o moderati i lobi mantengono la loro individualità giustapponendosi ed accavallandosi e conferendo alla colata una morfologia superficiale alquanto movimentata.

Con elevati tassi di effusione i lobi contigui possono coalescere e formare corpi tabulari denominati “sheet flows” nella letteratura anglosassone. In questi corpi,  spessi decine di metri e lunghi fino a parecchie decine di chilometri , il nucleo di lava liquida si estende per l’intera ampiezza della colata. Nelle fasi finali dell’effusione la parziale consolidazione del nucleo liquido tende a confinare il flusso endogeno in un reticolo di condotti più o meno tubulari che localmente esercitano ulteriori localizzate spinte inflative sulla crosta solida soprastante.

         Le condizioni topografiche del substrato costituiscono un fattore determinante per lo sviluppo di tale processo.

 Laddove il gradiente topografico è elevato, come ad esempio lungo i fianchi superiori di un vulcano,  lo scorrimento endogeno della lava avviene con velocità dell’ordine di uno o più m/s  ed il torrente lavico riempie solo parzialmente le sedi tubulari  in cui scorre. In tali casi il vettore pressione lungo l’asse della colata è di gran lunga superiore alla componente verticale della pressione stessa ostacolando il processo inflattivo.

 In caso di gradienti topografici molto bassi o nulli il flusso lavico endogeno riempie interamente le proprie sedi muovendosi  con velocità dell’ordine di 1 cm/s mentre la sua aumentata pressione interna secondo vigorose componenti latero-verticali innesca e mantiene un processo inflattivo che accompagna tutta la lunga vita della colata.

         Questo tipo di scorrimento riesce a mantenere tassi di raffreddamento del magma liquido avente temperature iniziali di 1100°-1200° entro valori non superiori a 0.5°/Km entro una vasta gamma di viscosità e di spessori della crosta.

         In condizioni favorevoli il processo di scorrimento isolato può trasformare una colata iniziale pahoehoe, i cui lobi iniziali possedevano spessori di pochi decimetri, a spessori di diversi metri fino a decine di metri.

Perché il fenomeno possa condurre alla formazione di lunghe colate laviche sembra necessario un lungo e ininterrotto periodo di effusione perché eccessive fluttuazioni dello stesso potrebbero portare alla distruzione del sistema di tubi interconnessi, fondamentale per il funzionamento del sistema.

Tale esigenza sembra valida soprattutto per le grandi colate che costruiscono i giganteschi plateaux basaltici continentali mentre alcuni Autori ne sostengono l’ applicabilità al vulcanismo basaltico delle isole oceaniche.

         Le colate basaltiche pahoehoe derivanti da processi di “inflation” sono caratterizzate dalla successione verticale di tre porzioni fisicamente e strutturalmente ben distinte.

La crosta superiore occupa uno spessore importante della colata, che può raggiungere anche il 50% dello spessore complessivo della stessa, ed è costituita da una sequenza di livelli vescicolari in cui la densità delle bolle diminuisce e le loro dimensioni aumentano nella porzione inferiore di ciascun livello. Essa è attraversata da giunti colonnari o irregolari sviluppatisi in modo diverso ed autonomo a seconda del livello di appartenenza.

Il nucleo è caratterizzato da una compagine compatta a scarsa vescicolarità attraversata da vene di composizione più silicea e ricche di bolle; i giunti appaiono estesi ma molto distanziati tra loro.

La crosta inferiore è vescicolare e talora brecciata e possiede uno spessore molto ridotto.

         La superficie delle colate soggette ad inflation, particolarmente di quelle pahoehoe, presenta spesso strutture morfologiche dovute a sovrappressioni localizzate del nucleo liquido che vengono considerate come testimonianze dirette e facilmente osservabili del processo inflattivo.

Tra queste forme dominano i tumuli, rilievi domiformi a pianta circolare od ellittica, con altezze variabili comunemente da uno a dieci metri e con fianchi aventi inclinazioni di 20°-40°.

Essi mostrano comunemente una frattura assiale tensionale che si restringe verso il basso, da cui si dipartono fratture pensionali minori. Le fratture sono talora riempite da vene di lava densa e poco vescicolata provenienti dal nucleo liquido a cui si da il nome anglosassone di squeeze-ups. La dilatazione delle fratture prosegue solitamente anche dopo la solidificazione degli squeeze-ups che rimangono così aderenti ad una delle pareti delle fratture stesse.

La distribuzione spaziale dei tumuli nelle colate pahoehoe soggette ad “inflation” presenta aspetti tuttora poco chiari. Vi sono casi in cui i tumuli presentano marcati allineamenti che verosimilmente indicano la presenza di tubi soggiacenti gli allineamenti stessi.

Nella maggior parte dei casi peraltro i tumuli sembrano distribuiti in forma casuale sia all’interno di singoli labi sia nell’ambio dell’intera colata. Le colate più rappresentative di tale distribuzione dei tumuli sono quelle denominate “hummocky flows” nella letteratura anglosassone. Sembra che esse dimostrino il carattere transitorio dei tubi distributori nonché la difficoltà di individuare, dalla semplice distribuzione spaziale degli indicatori morfologici, la localizzazione delle principali vie di alimentazione endogena della colata.

Un'altra importante struttura morfologica legata all’”inflation” delle colate pahoehoe è costituita dai “lava rises”, termine anglosassone che indica rilievi tronco-conici a superficie piatta che possono raggiungere diverse centinaia di metri di larghezza. Queste strutture hanno fianchi regolarmente inclinati come quelli dei tumuli ed il raccordo con la superficie avviene secondo un angolatura netta, sovente accompagnata da fratture tensionali.

Talora queste fratture delimitano il collasso dell’intera piastra sommitale che può sprofondare anche per qualche metro. In letteratura i “lava rises” mancano di studi adeguati e di interpretazioni esaustive circa la loro origine malgrado la loro innegabile importanza nel processo di messa in posto ed evoluzione di numerose grandi colate pahoehoe.

         Oltre alle strutture inflattive positive prima descritte si annoverano, nelle colate pahoehoe, frequenti forme negative attribuite a subsidenza della colata oppure a mancanza di rigonfiamento della stessa. Anche circa l’interpretazione di tali strutture non si riscontra accordo tra gli Autori, anche per la carenza di adeguate raccolte di dati e relative analisi in territori di ricerca diversi dalle Hawaii e dall’Islanda.

         Quest’ultima constatazione ci porta ad affrontare il problema delle difficoltà tuttora esistenti circa lo studio e l’interpretazione delle grandi colate laviche generate dall’isolamento termico di un nucleo liquido soggetto ad alimentazione continua per tempi lunghi.

Nella letteratura geologica come lunghe colate laviche sono state generalmente considerate quelle aventi misure sensibilmente superiore alla media delle colate di analoga tipologia presenti in una specifica provincia vulcanica caratterizzata da vulcanismo attivo o recente.

Ciò ha favorito la concentrazione delle ricerche su tale argomento principalmente nelle isole Hawaii ed in Islanda da dove provengono studi condotti secondo le metodologie più avanzate di modellizzazione matematica, fisica, fluidodinamica e termodinamica.

Studi altrettanto importanti sono stati condotti sulle grandi colate degli espandimenti basaltici continentali del Columbia e Snake River negli Stati Uniti occidentali e nella provincia vulcanica del Deccan in India.

In questi casi peraltro le condizioni di profonda erosione di tali complessi vulcanici di età cenozoica o mesozoica impediscono la reale individuazione di singole colate laviche per alcune delle quali (Pomona e Roza negli USA, Rajamundry nel Deccan)  sono state ipotizzate lunghezze di qualche centinaio o migliaio di Km, che in realtà si riferiscono all’estensione di intere successioni stratigrafiche di colate singolarmente indististinguibili nelle loro originarie forme e dimensioni.

         Pertanto in letteratura le colate basaltiche oggettivamente riconoscibili di dimensioni eccezionali (superiori ai 100 Km di lunghezza) sono unicamente quelle di Toomba e di Undara nel Queensland e di Thjorsa in Islanda.

         Ad esse si è aggiunta nel 2004 la conoscenza di alcune colate pahoehoe che sono discese durante il Quaternario lungo il fianco orientale del vulcano Payun Matru e quindi hanno percorso un tragitto di oltre 180 Km sulla pianura pampeana  nelle provincie argentine di Mendoza e La Pampa.

Queste ultime hanno la prerogativa di essere osservabili in tutti i loro dettagli e lungo tutta la loro estensione grazie all’ambiente arido sub-desertico in cui si trovano, ciò che non avviene per le colate australiane coperte da fitte foreste e per la colata islandese che termina in mare.

         Una delle colate del Payun Matru è stata descritta e discussa in dettaglio in un lavoro pubblicato da Pasquarè et al. nel volume 63 n°1 (2008) della Rivista della Associazione Geologica Argentina a cui si rimanda per una conoscenza più esauriente. Qui diamo alcuni cenni sintetici sulla colata suddetta per introdurre i problemi aperti e le prospettive aperte da questo ritrovamento.

La colata, denominata Pampas Onduladas,  costituita da termini basaltici che vanno da hawaiiti a basalti subalcalini, presenta un volume totale di 33 Km3 ed occupa una superficie di 1.870 Kmq.

10 Km a valle della fessura alimentarice la colata si divide in due rami uno dei quali ha percorso in direzione ESE altri 171 Km mentre il secondo è fluito verso nordovest per altri 50 Km. La distanza coperta dalla lava tra i due opposti fronti ammonta pertanto a 210 chilometri.

         Qui di seguito ci occuperemo del primo dei due rami che presenta i motivi strutturali e morfologici di maggiore interesse.

Dobbiamo anzitutto menzionare che la crosta superiore della colata in tutta la sua enorme estensione presenta un carapace straordinariamente continuo costituito da una lava finemente ed intensamente vescicolata avente uno spessore costante intorno a 40 cm e passante rapidamente ad una lava massiccia con treni isolati di bolle di grandi dimensioni. 

La superficie della crosta è ovunque articolata da un reticolo poligonale che rappresenta la testata di un sistema di giunti colonnari che a pochi decimetri di profondità si aprono in forma arcuata e rapidamente di estinguono.

         Nel tragitto iniziale, in cui la lava scende dai fianchi del vulcano con una inclinazione decrescente da 8° a 2°, la colata si presenta come un insieme di lingue coalescenti di lave a corde ed a lastre con tracce di canali assiali con scorrimento lavico a cielo aperto.

Laddove la pendenza del versante scende da 2° ad 1° le lingue laviche si trasformano in lobi rigonfiati, giustapposti ed accavallati fino a raggiungere un ampio fronte convesso a valle del quale la superficie topografica precedente doveva essere pressoché orizzontale.

         Quivi la colata, fluita sul fondo pianeggiante di una depressione tettonica del substrato pre-quaternario, prende la forma di una distesa dalla superficie marcatamente livellata fittamente costellata da tumuli e “lava rises” tra loro collegati da una rete sinuosa di più bassi cordoni di forma tubulare.

Nel lavoro sopracitato questo settore della colata,  avente una larghezza media di 15 Km ed una lunghezza di 30 Km, è stato interpretato come un grande “sheet flow”. Le osservazioni dirette compiute in un pozzo scavato a mano nel centro dello “sheet flow” mostra che lo stesso ivi possiede uno spessore superiore a 22 metri.

 Dall’interno di esso emergono alcuni coni piroclastici preesistenti attorno ai quali la lava disegna dorsali di rigonfiamento di forma annulare.

 Dal margine dello “sheet flow” si dipartono apofisi di colata lunghe singolarmente fino a 10 Km caratterizzate da un assetto interno gradonato.

         A partire da un gradone relativamente inclinato del substrato la colata prende la forma di una lingua relativamente stretta coi suoi 2-5 km di larghezza media rispetto al suo percorso che,  da questo punto, è stato di altri 140 km. La  colata scorre fino al suo fronte sui depositi detritici sub-orizzontali di pedemonte della piana pampeana in assenza di confinamenti topografici, intersecando i canali di drenaggio della piana senza alcuna deviazione. 

         In questo lungo percorso relativamente rettilineo la morfologia della colata cambia radicalmente rispetto a quella dello “sheet flow” prima descritto per la totale assenza di “lava rises” e la presenza molto limitata di tumuli.

Nel suo primo tratto si riconoscono dorsali laterali alquanto continue longitudinalmente, alcune delle quali accompagnate da allineamenti assiali di  bassi tumuli alquanto distanziati tra loro, separate da un’ampia depressione centrale che ospita  bassi tumuli sparsi o gruppi isolati di tumuli di grosse dimensioni.

 In un secondo tratto si riconosce invece una marcata dorsale assiale da cui si dipartono lateralmente numerosi lobi.

Nel tratto finale la colata acquista la forma di una campo di lava articolato da un fitto sistema di ondulazioni domiformi con fianchi aventi pendenze molto basse ed in cui non si riconoscono le strutture caratteristiche dei tumuli.

         La colata descritta, cosi come le altre grandi colate associate, presenta caratteri strutturali e morfologici che la distinguono in modo talora molto marcato dalle colate pahoehoe comunemente descritte in letteratura come prototipi di tale categoria di flussi lavici.

         Alla macroscala questa colata differisce per diversi motivi dalle grandi colate pahoehoe finora direttamente osservate e descritte.

 Il primo motivo è rappresentato dai suoi contorni che si allargano inizialmente a formare un grande ventaglio pedemontano come tutte le colate di questo tipo ma in seguito, raggiungendo la superficie suborizzontale della piana pampeana, acquisisce una andamento nastriforme quasi rettilineo in assenza di confinamenti topografici, a differenza di qualsiasi altro esempio noto in letteratura.

Un secondo motivo è costituito dal comportamento fortemente differenziato delle morfologia e struttura della colata in senso longitudinale, anch’esso in gran parte indipendente da cause esterne ma certamente legato ai requisiti fisici interni necessari a mantenere in movimento il flusso lavico anche ad enorme distanza dalla sua bocca nonchè durante il lunghissimo intervallo temporale occupato dall’attività effusiva.

Un’altra importante caratteristica distintiva presente in tutta la colata è rappresentata dalla fessurazione colonnare che, contrariamente a quella di altre colate basaltiche di spessore considerevole  sviluppata frequentemente nella porzione interna delle colate stesse, si manifesta in misura pressoché ubiquitaria nel carapace della colata, fino ad una profondità rimarchevolmente costante intorno ai 50 cm.

La presenza continua di questo livello a fitta fessurazione verticale poligonale per uno spessore rimarchevolmente costante rappresenta inoltre la prova inconfutabile che esso rappresenta il carapace originario di una colata osservabile nella sua forma originaria e priva di importanti modificazioni erosive

         Numerose peculiarità sono osservabili anche alla mesoscala, soprattutto sulle strutture correlabili ai fenomeni inflattivi e di trasporto endogeno del magma.

   I tumuli, comunemente considerati come indicatori del sollevamento localizzato della crosta delle colate soggette ad “inflation”, sono dotati di forme e dimensioni alquanto variabili all’interno della nostra colata ed in alcuni casi raggiungono dimensioni eccezionali, molto raramente documentate altrove.

    La loro distribuzione spaziale, con un massimo addensamento nello “sheet flow” superiore della colata e con brusca rarefazione fino a scomparsa in tutto il lunghissimo percorso mediano e inferiore della colata, rappresenta un dato che contraddice quanto finora descritto in letteratura.

Nell’ambito dello “sheet flow”suddetto i “lava rises”, ampli sollevamenti a superficie pianeggiante, costituiscono l’elemento di maggiore novità rispetto a quanto descritto in letteratura. Diciamo anzitutto che, malgrado la presenza di tali strutture sia frequentemente citata in relazione alle grandi colate pahoehoe, mancano di esse descrizioni, analisi ed interpretazioni esaurienti.

Quivi i “lava rises” si sviluppano con forme e dimensioni estremamente variabili e risultano interconnessi mediante un sistema fittissimo di strette e basse dorsali meandriformi che, a loro volta, ospitano un gran numero di piccoli tumuli. Le loro deformazioni tensionali, che in letteratura si esprimono generalmente attraverso un abbassamento generalizzato di tutta la loro superficie sommitale, qui si manifestano invece con lunghe fratture riempite in continuità di “squeeze-ups” che accompagnano i margini delle spianate sommatali prive di apprezzabili livellamenti.

 In alcuni casi i lava rises sono fiancheggiati da lunghi e profondi fossati di collasso, lungo i quali talora si osservano risorgenze laviche tumuliformi. Il tracciato meandriforme di questi fossati sembra permettere la ricostruzione precisa dei percorsi del flusso endogeno durante il rigonfiamento della colata.

 Lo studio di quanto sopra potrebbe apportare un contributo nuovo alla definizione delle relazioni tra le vie di alimentazione endogena principale ed il sistema di tubi distributori transitori nonché alla comprensione delle discontinuità temporali nel processo di crescita endogena e dei suoi limiti.

Ricordiamo infine quelle strutture positive allungate che si formano al contatto tra la colata e rilievi preesistenti all’interno dello “sheet flow” superiore nonchè  lungo i margini del tratto medio-inferiore della colata stessa. Non si tratta di “pressure ridges”, intese nella letteratura come derivanti dalla spinta laterale del magma contro gli ostacoli, bensì a vere e proprie “inflation ridges” dovute all’adeguamento del flusso al contorno degli ostacoli in misura indipendente dalla loro posizione rispetto alla direzione principale di movimento della lava.

Tali strutture sono spesso associate a fossati di deflazione alcuni dei quali assumono considerevoli dimensioni.

Per concludere riteniamo che le modellizzazioni fisiche e matematiche attraverso le quali oggi si tende ad affrontare i problemi della messa in posto delle grandi colate pahoehoe debbano attingere ad una casistica geograficamente più ampia, estesa oltre i confini di una scienza vulcanologica che, ai i suoi grandi progressi ed innegabili meriti, unisce in questo campo gli svantaggi di una banca dati tuttora troppo limitata.

Il grande sistema vulcanico di retroarco in cui sorge il complesso eruttivo del Payen offre certamente una importante opportunità per arricchire queste fondamentali conoscenze sul vulcanismo effusivo e sul suo impatto ambientale, opportunità che potrebbe allargarsi se consideriamo che nella vicina Patagonia vi è una enorme quantità di situazioni analoghe ancor più inesplorate.