Sotto l'oceano, massicce placche tettoniche si scontrano e si scontrano l'una contro l'altra, che spinge uno sotto l'altro. Questa potente collisione, chiamato subduzione, è responsabile della formazione di archi vulcanici che ospitano alcuni degli eventi geologici più drammatici della Terra, come eruzioni vulcaniche esplosive e mega terremoti.

Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Progressi scientifici cambia la nostra comprensione di come si formano le lave ad arco vulcanico, e può avere implicazioni per lo studio dei terremoti e dei rischi di eruzione vulcanica.

I ricercatori guidati dalla Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) hanno scoperto un processo precedentemente sconosciuto che coinvolge la fusione di rocce metamorfiche intensamente miste, note come rocce melange, che si formano a causa di un elevato stress durante la subduzione al confine tra mantello e lastre.

Fino ad ora, si è pensato a lungo che la formazione della lava fosse iniziata con una combinazione di fluidi da una placca tettonica subdotta, o lastra, e sedimenti fusi che sarebbero poi percolati nel mantello. Una volta nel mantello, si mescolerebbero e innescherebbero altro scioglimento, ed eventualmente eruttare in superficie.

"Il nostro studio mostra chiaramente che il modello di fusione fluido/sedimento prevalente non può essere corretto, "dice Sune Nielsen, un geologo WHOI e autore principale dell'articolo. "Questo è significativo perché quasi tutte le interpretazioni dei dati geochimici e geofisici sulle zone di subduzione negli ultimi due decenni si basano su quel modello".

Anziché, quello che Nielsen e il suo collega hanno scoperto è che il mélange è in realtà già presente nella parte superiore della lastra prima che avvenga la miscelazione con il mantello.

"Questo studio mostra, per la prima volta, che la fusione mélange è il principale fattore di interazione tra lastra e mantello, "dice Nielsen.

Questa è una distinzione importante perché gli scienziati utilizzano misurazioni di isotopi e oligoelementi per determinare le composizioni delle lave ad arco e comprendere meglio questa regione critica delle zone di subduzione. Quando e dove la miscelazione, fusione, e la ridistribuzione degli elementi in traccia genera rapporti di firma isotopica molto diversi.

Lo studio si basa su un precedente articolo del collega e coautore di Nielsen Horst Marschall della Goethe University di Francoforte, Germania. Sulla base delle osservazioni sul campo degli affioramenti mélange, Marschall ha notato che macchie di materiale mélange a bassa densità, chiamati diapir, potrebbe sollevarsi lentamente dalla superficie della lastra in subduzione e trasportare i materiali ben miscelati nel mantello sotto i vulcani ad arco.

"Il modello mélange-diapir è stato ispirato da modelli computerizzati e da un dettagliato lavoro sul campo in varie parti del mondo in cui le rocce che provengono dall'interfaccia profonda lastra-mantello sono state portate in superficie da forze tettoniche, " Dice Marschall. "Discutiamo del modello da almeno cinque anni ormai, ma molti scienziati pensavano che le rocce melange non avessero alcun ruolo nella generazione dei magmi. Hanno respinto il modello come 'geo-fantasia'".

Nel loro nuovo lavoro, Nielsen e Marschall hanno confrontato i rapporti di miscelazione di entrambi i modelli con i dati chimici e isotopici di studi pubblicati su otto archi vulcanici rappresentativi a livello globale:Marianas, Tonga, Piccole Antille, Aleutine, Ryukyu, Scozia, Kurile, e Sunda.

"La nostra analisi su larga scala mostra che il modello di miscelazione mélange si adatta quasi perfettamente ai dati della letteratura in ogni arco del mondo, mentre le linee prevalenti di miscelazione del liquido fuso/fluido sono lontane dai dati effettivi, "dice Nielsen.

Comprendere i processi che si verificano nelle zone di subduzione è importante per molte ragioni. Spesso indicato come il motore del pianeta, le zone di subduzione sono le aree principali in cui l'acqua e l'anidride carbonica contenute nei vecchi fondali marini vengono riciclate nelle profondità della Terra, svolgere ruoli critici nel controllo del clima a lungo termine e nell'evoluzione del bilancio termico del pianeta.

Questi processi complessi si verificano su scale da decine a migliaia di chilometri da mesi a centinaia di milioni di anni, ma può generare terremoti catastrofici e tsunami mortali che possono verificarsi in pochi secondi.

"Una grande frazione dei rischi vulcanici e sismici della Terra è associata a zone di subduzione, e alcune di queste zone si trovano vicino a dove vivono centinaia di milioni di persone, come in Indonesia, " Dice Nielsen. "Comprendere le ragioni per cui e dove si verificano i terremoti, dipende dal sapere o capire che tipo di materiale è effettivamente presente laggiù e quali processi avvengono."

Il team di ricerca afferma che i risultati dello studio richiedono una rivalutazione dei dati precedentemente pubblicati e una revisione dei concetti relativi ai processi della zona di subduzione. Poiché le rocce mélange sono state in gran parte ignorate, non si sa quasi nulla delle loro proprietà fisiche o della gamma di temperature e pressioni a cui fondono. Studi futuri per quantificare questi parametri forniranno informazioni ancora più approfondite sul ruolo del mélange nelle zone di subduzione e sul controllo che esercita sulla generazione di terremoti e sul vulcanismo delle zone di subduzione.