La grande varietà di forme che caratterizza il rilievo terrestre spinge già i primi geomorfologi a indagare sulle cause di questa diversità. Tra di essi furono particolarmente importanti e influenti: William Morris Davis, Walther Penck e John Hack.
Davis riteneva che un periodo iniziale di intenso sollevamento tettonico sia normalmente seguito da un lungo periodo in cui prevalgono i processi di denudazione, durante il quale la morfologia del rilievo terrestre dipenderebbe prevalentemente dalla sua età geologica. Nella prima metà del XX secolo il punto di vista di Davis fu così dominante da mettere in ombra il pensiero del suo contemporaneo Penck, secondo il quale il sollevamento tettonico e i processi erosivi operano in competizione nel controllo della morfologia del rilievo terrestre. Gli anni Sessanta del XX secolo furono testimoni di un'altra svolta concettuale: Hack riconobbe che il sollevamento tettonico, pur agendo per lunghi periodi di tempo, non può innalzare i rilievi sopra una soglia critica; senza l'intervento dell'erosione, i rilievi in sollevamento finirebbero per collassare sotto il loro stesso peso, a causa della finita (ossia limitata) delle rocce.
Le vedute moderne sull'evoluzione del rilievo terrestre hanno fatto propri, fondendoli, alcuni aspetti di tutte e tre queste idee iniziali e hanno riconosciuto che le forme del rilievo terrestre seguono una progressione naturale che dipende dal tempo.
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| Fig. 1 - Modello del "ciclo di erosione". |
Modello del "Ciclo di Erosione" di Davis
William Morris Davis (1850-1934), che fu geologo ad Harvard, affrontò lo studio comparato di montagne e pianure di molte parti del mondo, e già alla fine del XIX secolo formulò in maniera organica la teoria del ciclo di erosione (Fig. 1). Secondo questo modello evolutivo il rilievo terrestre evolve dalle alte e aspre montagne, sollevate tettonicamente, dello "stadio di giovinezza" alle forme arrotondate dello "stadio di maturità", fino alle ampie aree spianate dall'erosione dello "stadio di vecchiaia". Davis riteneva che il ciclo iniziasse con un forte e rapido sollevamento tettonico, responsabile della costruzione dell'intero rilievo; successivamente l'erosione avrebbe demolito il rilievo, riducendolo a una superficie relativamente piatta, detta penepiano, e livellando in tal modo ogni struttura nel basamento roccioso affiorante. Secondo l'idea di Davis le estese superfici di discordanza stratigrafica corrispondono ad altrettante superfici di spianamento create dai processi erosivi nel passato geologico.
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| Fig. 2 - Stadi evolutivi di un ciclo di erosione fluviale. |
Il ciclo si ripete attraverso fasi analoghe ogni volta che l'attività delle forze endogene, porta ad un sollevamento del rilievo, ricostruendo condizioni simili iniziali (Fig. 2). Nello "stadio della giovinezza" i notevoli dislivelli danno luogo ad una intensa e disordinata attività erosiva: le valli sono strette e profonde, i corsi d'acqua presentano cascate e rapide, il reticolo idrografico e disordinato. Nello "stadio di maturità" le valli si sono estese a monte, e il sistema idrografico è bene organizzato, i corsi d'acqua principali hanno quasi raggiunto il loro profilo di equilibrio, per cui l'incisione del rilievo è più lenta e dovuta quasi esclusivamente agli affluenti, i depositi alluvionali colmano i tratti inferiori delle valli a fondo piatto. Nello "stadio di vecchiaia" i versanti hanno raggiunto la minima inclinazione e l'erosione e il trasporto sono molto ridotti. Si accumulano depositi in posto, formando delle coltri di terreni che addolciscono i dislivelli. I corsi d'acqua divagano entro valli svasate. Il ciclo ricomincia quando un nuovo sollevamento tettonico, qualunque sia lo stadio raggiunto, porta ad un "ringiovanimento del rilievo".
In questo quadro, le colline isolate che talora si innalzano dalle aree spianate venivano interpretate come rilievi residuali (o monadnock), corrispondenti a rocce più resistenti all'erosione. A quel tempo la maggior parte dei geologi accettava l'ipotesi da Davis che le montagne si innalzano in tempi geologici piuttosto brevi e poi rimangono tettonicamente stabili mentre l'erosione procede al loro smantellamento. Il ciclo di erosione proposto da Davis riscosse ampi consensi, anche perchè i geologi riuscivano a trovare numerosi esempi di quelli che sembravano i differenti stadi di giovinezza, maturità e vecchiaia.
Modello della "competitività tra sollevamento tettonico ed erosione" di Penck
La teoria di Davis fu contestata dal geologo tedesco Walther Penck (1888-1923), secondo il quale la dimensione del sollevamento e delle deformazioni tettoniche va aumentando gradualmente, fino a raggiungere un massimo (climax), per poi decrescere lentamente (Fig. 3). Davis, però, grazie alla sua statura di studioso e alla sua prolificità nello scrivere, riuscì a diffondere le sue idee in modo più efficace. Pertanto le idee di Penck riscossero ampio interesse e adesioni soltanto molti anni dopo la loro pubblicazione, più di due decenni dopo la morte di Davis.
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| Fig. 3 - Modello della "competitività tra sollevamento tettonico ed erosione". |
Secondo la teoria di Penck i processi geomorfologici esogeni contrastano l’inanzamento dei rilievi montuosi durante tutto il tempo in cui la tettonica è attiva. Alla fine, quando l’entità della deformazione tettonica si riduce, l’erosione predomina e i dislivelli e le quote medie dei rilievi diminuiscono. Questo modello evolutivo rappresentò un’innovazione concettuale, poiché riconosceva che l’evoluzione del rilievo terrestre può essere determinata dalla competitività tra sollevamento tettonico ed erosione. Il modello di Davis, invece, sottolineando che le due categoria di processi (endogeni ed esogeni) agiscono in tempi diversi, indicava l’età del rilievo come principale determinante delle forme del paesaggio.
La scelta tra teorie alternative sull’evoluzione del rilievo terrestre è legata alla possibilità di determinare l’entità del sollevamento tettonico e quella dell’erosione cui sono sottoposte le montagne. Tecnologie come il GPS (Global Position System) o i segnali radar inviati da satelliti artificiali in orbita hanno permesso di realizzare spettacolari carte delle deformazioni crostali e dell’entità dei sollevamenti tettonici. Contemporaneamente, nuovi sistemi di datazione hanno contribuito a determinare l’età di superfici geomorfologiche importanti, quali terrazzi fluviali risalenti a 1 milione di anni fa. Un recente e promettente metodo di datazione si basa sul fatto che i raggi cosmici, penetrano di qualche metro negli affioramenti rocciosi o nei suoli, inducendo la formazione di piccolissime quantità di taluni isotopi radioattivi. Uno di essi è il berillio-10, che si accumula in quantità direttamente proporzionale all’aumentare del tempo di esposizione delle rocce o dei suoli ai raggi cosmici e inversamente proporzionale alla loro profondità di seppellimento. Lo studio di questo isotopo è stato impiegato per confrontare l’età dei vari terrazzi fluviali lungo il corso del Fiume Indo, nella catena Himalayana. Mediante un grafico che mette in rapporto le diverse altezze dei terrazzi fluviali con la loro età, è stato possibile valutare l’entità media del sollevamento e quella dell’erosione; così, si è potuto stabilire che la velocità dell’erosione da parte delle acque correnti superficiali nell’Himalaya varia da 2 a 12 mm/a. In altri luoghi, per altre catene montuose, è stata misurata un’entità del sollevamento tettonico dello stesso ordine di grandezza, compresa tra 0.8 e 12 mm/a.
Modello dell’”equilibrio dinamico” di Hack
John Hack (1913-1991), dell’U.S. Geological Survey, elaborò ulteriormente l’ipotesi della competizione tra sollevamento tettonico ed erosione. Egli riteneva che quando il sollevamento e l’erosione si protraggono per tempi lunghi l’evoluzione del rilievo raggiunge un equilibrio dinamico (Fig. 4). Durante questo periodo di equilibrio le forme del rilievo possono subire aggiustamenti minori, ma la configurazione generale del paesaggio rimane più o meno la stessa.
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| Fig. 4 - Modello dell'"equilibrio dinamico". |
Hack riconobbe che l’altezza delle montagne non può aumentare indefinitamente, anche se l’entità del sollevamento tettonico è molto marcata. Le rocce finiscono per rompersi se vengono sottoposte a sollecitazioni sufficienti; analogamente, se vengono sottoposte a sollecitazioni sufficienti; analogamente, se i materiali se i materiali che costituiscono i versanti delle montagne diventano più ripidi del loro angolo di riposo, finiscono per collassare per gravità, a causa del loro stesso peso. Pertanto se il sollevamento si protrae oltre un limite critico intervengono collassi gravitativi e movimenti di massa che impediscono un ulteriore incremento dell’altitudine; in questo modo l’entità del sollevamento e la velocità dell’erosione raggiungono un equilibrio di lungo termine. A differenza dei modelli proposti da Davis e Penck, quello di Hack non richiede la diminuzione dell’entità del sollevamento tettonico.
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| Fig. 5 - Bilancio tra sollevamento tettonico ed erosione in tempi geologici lunghi. |
Un’affascinate implicazione del modello di Hack è questa: finché il sollevamento e l’erosione si bilanciano, il rilievo terrestre può non evolvere affatto. Ma la storia della Terra insegna che tutto quello che “va su”, prima o poi “va giù”. Se si considerano tempi molto lunghi, dunque, i modelli di Davis e di Penck offrono una rappresentazione più accurata delle modificazioni finali delle forme del rilievo. Quando l’erosione supera il sollevamento tettonico, i versanti diventano sempre più dolci e arrotondati (Fig. 5). Tuttavia, dato che poche aree del mondo restano tettonicamente quiescenti per periodi dell’ordine di 100 milioni di anni, una superficie di spianamento quasi perfettamente piatta (penepiano), come proposta da Davis, può essersi formata soltanto raramente nella storia della Terra. Il modello di Hack dell’equilibrio dinamico è forse più appropriato per rappresentare l’evoluzione di aree tettonicamente attive, nelle quali la velocità del sollevamento può rimanere pressoché invariata per più di un milione di anni.
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