L'ipotesi di Hess
Harry Hammond Hess (1906-1969), geologo americano della Princeton University, integrò i dati provenienti da nuove scoperte geofisiche e nel 1960 formulò la teoria della espansione dei fondali oceanici, pubblicata nel 1962 nel volume "History of Ocean Basins". Si era infatti scoperto che nelle fosse poste ai margini degli archi insulari c'erano delle anomalie gravimetriche negative che indicavano uno sprofondamento della crosta. Ciò era in contrasto con il principio dell'isostasia. Per questo Hess suppose che le dorsali corrispondessero alle correnti convettive ascendenti di Holmes, dove si verificava un fenomeno di divergenza, e si creava continuamente nuova crosta oceanica con la lava proveniente dal mantello. Le fosse, invece, corrispondevano al ramo discendente di una cella convettiva, dove la crosta veniva passivamente trascinata nel mantello per essere rifusa. Dal momento che la Terra non aumenta il suo volume complessivo, se c'è creazione di crosta, da qualche parte deve esserci consumazione di crosta in uguale misura. Gli sudi sui seamounts del Pacifico, che chiamò guyot, indicavano la presenza di fossili non più antichi del Mesozoico, quindi, gli oceani dovevano essere strutture giovani.
L'ipotesi dell'espansione oceanica spiega e correla un gran numero di dati e osservazioni apparentemente senza alcun legame.
In alto a sinistra: Harry Hammond Hess
Sopra: Espansione dei fondali
Questa ipotesi è stata suffragata da successive prove, ricavate dallo studio di fenomeni come:
- le anomalie magnetiche dei fondi oceanici;
- l'elevato flusso di calore in corrispondenza delle dorsali oceaniche;
- l'età e lo spessore dei sedimenti oceanici;
- il rapporto età-profondità della crosta oceanica;
- le faglie trasformi;
- la subduzione della crosta oceanica;
- i punti caldi.
Le anomalie magnetiche
Nei fondali oceanici erano state riscontrate delle anomalie magnetiche diverse da quelle dei continenti.
Le rocce basiche poste lungo la dorsale presentavano bande parallele simmetriche, larghe da 5 a 50 km, che mostravano alternativamente i minerali ferrosi orientati secondo il campo magnetico attuale e invertito (vedi il paleomagnetismo).
Nel 1963, il giovane studente universitario di geofisica inglese Frederick Vine (1939) e il suo docente supervisore di Cambridge Drummond Hoyle Matthews (1931-1997) formularono un'ipotesi che inseriva queste anomalie nel contesto dell'espansione dei fondali oceanici. Lungo la dorsale usciva lava basaltica che si poneva ai due lati della fenditura, allontanando la colata precedente nelle due direzioni opposte; quando si solidificava, conservava l'indicazione della direzione del campo magnetico presente in quel momento. Se il campo si invertiva, l'evento rimaneva registrato nella nuova lava che continuamente usciva. In questo modo, dopo un certo tempo, si potevano osservare fasce simmetriche parallele alla dorsale. Lo stesso fenomeno era riscontrabile in tutti gli oceani.
Con metodi radiometrici Vine stimò che la velocità di espansione dei fondali variava da 1 centimetro a 4,5 cm all'anno. Per quanto riguarda l'età, dimostrò che gli oceani non erano più antichi del Mesozoico, in accordo con quanto Hess aveva determinato studiando i fossili dei guyots.
Fasce parallele di roccia con polarità normale e invertita (Crediti: Chmee2/
Wikimedia Commons
- modificato)
Il flusso di calore
In corrispondenza dell'asse delle dorsali oceaniche, il flusso di calore è sensibilmente più elevato che nelle altre parti degli oceani (si veda la pagina del calore terrestre). Nella regione assiale si riscontrano mediamente i valori più alti di flusso di calore. Si può inoltre constatare che i valori maggiori si raggruppano, da entrambi i lati della cresta, entro una distanza di 150-200 km.
L'elevato flusso di calore che si riscontra sulle dorsali non può essere imputato a concentrazioni di elementi radioattivi nella crosta, poiché nei fondali oceanici non esistono graniti. È più logico ammettere che il calore verso la superficie sia dovuto alla risalita di correnti convettive (si veda il paragrafo relativo).
Flusso di calore sulla dorsale
I sedimenti oceanici
Verso la fine degli anni Sessanta iniziò un programma di ricerche, con lo scopo di perforare e campionare i fondali oceanici: il progetto Joides (Joint Oceanographic Institutes Deep Earth Sampling Program = programma per la campionatura dei fondali profondi, a cura degli Istituti Oceanografici Riuniti). 
La nave oceanografica Glomar Challenger fu attrezzata per perforazioni in alto mare e dotata di un sistema di posizionamento dinamico, controllato da un calcolatore e capace di mantenere la posizione anche in acque troppo profonde per consentire l'ancoraggio.
Quando la nuova crosta oceanica esce dalla fossa centrale della dorsale, su di essa cominciano subito a «piovere» i gusci degli organismi planctonici. Poiché gli organismi planctonici si sono evoluti nel tempo, lo studio micropaleontologico dei sedimenti prelevati con le carote permette di datare i fondi oceanici. In particolare, l'età del sedimento più vecchio, quello che giace direttamente sul basamento basaltico, ci fornisce l'età della crosta oceanica in quel punto. L'età dei sedimenti che poggiano direttamente sopra la crosta oceanica aumenta sistematicamente allontanandosi dalla dorsale mediooceanica.
I sedimenti più antichi sinora scoperti, appoggiati sul basamento basaltico, risalgono a circa 190 milioni di anni fa (Giurassico), confermando che prima di tale periodo l?oceano Atlantico non esisteva e che i blocchi continentali erano uniti.
Il fatto che le rocce dei continenti hanno quasi 4 miliardi di anni, mentre gli oceani sono molto più giovani, non significa che prima di 190 milioni di anni fa non esistevano oceani, ma che quelli antichi sono ormai sprofondati lungo le fosse o impilati ai margini dei continenti; al contrario, quest'ultimi sono antichi perché formati da rocce «leggere» che non vanno in subduzione.
Sedimenti oceanici (Hannes Grobe/
Creative Commons 3.0
)
Schema di deposizione dei sedimenti
Età e profondità della crosta oceanica
La crosta oceanica, allontanandosi dalla dorsale, si raffredda, si contrae e aumenta la sua densità. Per il principio dell'isostasia, subisce una progressiva subsidenza, perciò il fondale diventa più profondo man mano che si allontana dalla dorsale.
Età di formazione della crosta oceanica
Le faglie trasformi
La fenditura assiale lungo la quale si attua l'espansione delle dorsali oceaniche non è una struttura continua. Essa è interrotta e dislocata dalle cosiddette zone di frattura, che in alcuni luoghi determinano alte e scoscese pareti sottomarine. All'inizio si pensava che tali fratture fossero normali faglie trascorrenti lungo le quali l'asse della dorsale era stato spostato lateralmente a partire da una struttura originariamente continua. Ma in tal caso le faglie avrebbero dovuto prolungarsi entro i continenti e i terremoti insorgere su tutta la loro lunghezza. Queste caratteristiche non erano riscontrabili nelle zone di frattura oceaniche.
John Tuzo Wilson (1908-1993), un geofisico canadese, nel 1965 propose che, se davvero si stava generando in continuazione nuova crosta nel mezzo degli oceani, allora avrebbe potuto esistere una nuova classe di faglie, che egli chiamò faglie trasformi. Le faglie trasformi non si prolungano necessariamente entro i continenti e inoltre i terremoti sono limitati alla parte compresa fra i due segmenti della dorsale. Queste faglie non sono la causa della dislocazione dei vari tronconi di dorsale, ma rappresentano la conseguenza dell'espansione dei fondi oceanici avvenuta in corrispondenza di ciascun troncone di dorsale. La presenza delle faglie trasformi dimostra che l'espansione dei fondi oceanici avviene per segmenti separati. Ogni troncone di dorsale è la sede di formazione di un tratto di fondo oceanico ed è separato da quelli adiacenti da due faglie trasformi Ci ritorneremo ancora più avanti).
Per comprendere meglio il meccanismo delle faglie trasformi, occorre osservare il verso del movimento ai due lati della faglia nel tratto compreso tra i due tronconi di dorsale. Se originariamente i due tronconi fossero stati in continuità e poi fossero stati rigettati dallo scorrimento ai due lati della faglia, il verso del movimento sarebbe stato esattamente opposto a quello che si osserva. Se la faglia si comportasse in modo omogeneo per tutta la sua lunghezza, i due tronconi di dorsale dovrebbero avvicinarsi fino ad allinearsi. È lungo questo tratto che si generano i terremoti per attrito. Nei tratti esterni ai due tronconi di dorsale, il senso del movimento ai due lati della faglia è concorde. Perciò in queste zone laterali, essendo la velocità di espansione praticamente la stessa, non esiste alcuno scorrimento relativo. La faglia è inattiva e diventa solo una zona di frattura: il fondo oceanico si muove concordemente, come un blocco unico.
In alto: Dorsale dislocata dalla faglia trasforme. Le fasce di diverso colore indicano periodi di differente magnetizzazione
Qui sopra: Differenza tra una faglia trascorrente e una faglia trasforme
La subduzione della crosta oceanica
Il sismologo americano Victor Hugo Benioff (1899-1968) è noto per l'individuazione nel 1949 di un piano inclinato di 30/60° lungo il quale si verificano gli ipocentri dei terremoti. L'origine dei terremoti è dovuta allo sprofondamento della rigida placca oceanica, lungo la fossa, all'interno del mantello.
Questo piano inclinato è detto di Wadati-Benioff, dal suo nome e da quello del sismologo giapponese Kiyoo Wadati che nel 1935 aveva ipotizzato che i fenomeni sismici fossero provocata dalla subduzione di una placca sotto un'altra.
Ipocentri dei terremoti presso le Isole della Sonda che evidenziano il piano di Wadati-Benioff.
1. Latitudine (in gradi)
2. Profondità degli ipocentri (in km)
Punti caldi
Quasi tutta l'attività vulcanica e sismica è limitata ai margini delle placche. Il vulcanismo non associato ai margini di placca è una piccola percentuale di tutta l'attività vulcanica sulla Terra, probabilmente meno dell'1%. Sono chiamati punti caldi (hot spot) i centri vulcanici isolati, caratterizzati da elevato flusso termico e intensa attività intraplacca. Il passaggio di una placca litosferica sopra un punto caldo lascia come traccia una fila di vulcani. Su una placca oceanica i vulcani possono essere in parte emersi e in parte sottomarini, perché vanno sprofondando sempre più man mano che si allontanano dal punto caldo. Ciò accade perché, in corrispondenza del punto caldo, la litosfera è più calda, meno densa e, per compensazione isostatica, sollevata. Ritorneremo più avanti su questo argomento.
Ormai i geologi avevano a disposizione una grande quantità di dati, e i tempi erano maturi per formulare una teoria globale, che tenesse conto delle nuove acquisizioni e spiegasse in modo unitario tutte le manifestazioni della dinamica crostale (orogenesi, sismi, vulcanismo, tettonica).