1 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO GEOSCIENZE LEZIONE 21 * - STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA - PRINCIPI DI SISMOLOGIA * Icone, grafici e foto provengono da varie fonti. Si ringraziano i relativi Autori ed Editori.

2 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO GEOSCIENZE INTRODUZIONE PARTE PRIMA. TELLUS, LA TERRA E LO SPAZIO PARTE PRIMA. TELLUS, LA TERRA E LO SPAZIO PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA - PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE - STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA - PRINCIPI DI SISMOLOGIA - PARTE QUARTA. ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - PARTE QUARTA. ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - PARTE QUINTA. ESCURSIONI SUL TERRENO - PARTE QUINTA. ESCURSIONI SUL TERRENO

3 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA La conoscenza sullo stato interno della Terra si basa su osservazioni dirette e indirette. Le OSSERVAZIONI DIRETTE anche dove esistono sezioni naturali poco profonde sono poca cosa rispetto ai km circa del raggio medio terrestre. Abbiamo visto come attraverso i sondaggi meccanici a rotazione si possono raggiungere profondità di almeno metri ma che è possibile superare questa misura attraverso l’ osservazione di campagna ragionata. Infatti, alcune aree terrestri sono soggette a forti processi erosivi che mettono a nudo le rocce più antiche della Terra, quelle che normalmente giacciono nelle parti più basse della crosta terrestre. Dove i corrugamenti sono stati più intensi e i sollevamenti più forti, l’erosione è stata più spinta asportando spessori di coltri rocciose anche dell’ordine di alcuni chilometri. E’ possibile così osservare direttamente per effetto dell’erosione, in aree di antichissimo corrugamento oggi spianate e quasi livellate, porzioni della crosta terrestre che si formarono a 20 km e anche più di profondità. Il vulcanismo, poi, porta in superficie materiali profondi ma non sappiamo a priori da quale profondità risalgono i magmi, soprattutto quelli variamente miscelati; in ogni caso ci pone altri interrogativi sullo stato reale dell’interno della Terra. Alpi, Monte Bianco Irlanda, Marciapiede dei Giganti

4 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA L’interno della Terra è un campo dove giocano due fattori antagonisti : temperatura e pressione. La TEMPERATURA cresce verso l’interno della Terra (1° in media ogni metri) nella porzione accessibile alle misure e tende a portare le sostanze allo stato fluido. Se il gradiente rimanesse alterato, al centro della Terra si raggiungerebbero temperature intorno ai ° ; in realtà si giunge presumibilmente intorno ai 4000°-5500°C. La PRESSIONE che pure cresce verso l’interno a valori elevatissimi (circa kbar o katm) tende, fino alla temperatura critica, a mantenere le sostanze allo stato solido. Variazione della temperatura all’interno della Terra Variazione della pressione all’interno della Terra. La linea continua è la curva teorica; la tratteggiata è la curva sperimentale calcolata su dati sismici kbar

5 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Un altro parametro da considerare è la DENSITA’ globale della Terra che è stata definita da Lord Cavendish con la sua bilancia di torsione in 5,517 gr/cm 3, mentre la densità media della parte più superficiale della crosta calcolata da DALY è pari a 2,8 gr/cm 3. Quindi le parti più interne della Terra devono essere necessariamente più dense. Si valuta che nel nucleo interno della Terra la densità sia pari a 10,7 – 12,5 gr/cm 3. Calcolo teorico (linea continua) e sperimentale (linea tratteggiata) tra densità e gravità all’interno della Terra Relazione fra densità (azzurro), pressione (rosa) e gravità (verde) all’interno della Terra

6 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA OSSERVAZIONI INDIRETTE TRAMITE LA SISMOLOGIA Le OSSERVAZIONI INDIRETTE per lo studio della struttura interna del nostro Pianeta sono più probanti con il metodo che ci viene fornito dalla propagazione delle onde elastiche liberate dai terremoti. Il nostro Pianeta è continuamente sottoposto a deformazioni provocate dalle tensioni che si sviluppano nel suo interno. Se queste tensioni continuano ad accumularsi per un periodo di tempo molto lungo, può generarsi una frattura che dà origine a un terremoto. Ciò comporta un’improvvisa liberazione di energia, parte della quale si trasforma in onde elastiche che si propagano all’interno della Terra. Queste onde si originano da zone di volta in volta ben individuate, localizzate al di sotto della superficie terrestre, chiamate fuoco o ipocentro del terremoto. La proiezione del fuoco lungo la verticale sulla superficie terrestre si chiama epicentro. In A modello di Terra statica. In B e C due classi di oscillazioni libere Fuoco di un terremoto originato da una rottura per faglia della crosta terrestre A BC

7 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA TIPI DI ONDE ELASTICHE DI TERREMOTO Vi sono tre tipi fondamentali di onde elastiche di terremoto : due onde di volume che sono quelle che si propagano all’interno di un corpo roccioso e un‘onda di superficie il cui movimento è limitato alle zone superficiali e la cui ampiezza decresce con la profondità. ONDE DI VOLUME La più veloce è chiamata onda primaria (in sigla P ). E’ un’onda longitudinale, di compressione (e decompressione): comprime e dilata la roccia mentre si propaga. Le onde P al pari delle onde acustiche, si possono propagare sia nei solidi che nei fluidi come il magma o l’acqua oceanica. Sono onde che provocano variazione di volume e si trasmettono lungo la direzione di propagazione. La più lenta delle onde di volume è chiamata onda secondaria ( S ). Oscilla su piani perpendicolari alla direzione di propagazione e viene perciò definita anche onda trasversale. Le onde S provocano la distorsione del volume della roccia senza variarlo. Le onde S al pari delle onde luminose sono trasversali e possono polarizzarsi; così si può distinguere una polarizzazione verticale ( SV ) e una polarizzazione orizzontale ( SO ) delle onde sismiche secondarie. Modello di deformazione di una roccia al passaggio di un’onda P (A) e di un’onda S (B). ONDA PONDA S

8 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Si può dimostrare che le velocità di propagazione delle onde Vp e Vs sono rispettivamente : Vp = K – 4/3  /  Vs =  /  dove K = modulo di compressibilità;  = rigidità;  = densità. Quindi Vp e Vs dipendono soltanto dalle costanti di elasticità e dalla densità del mezzo. Se la rigidità  è uguale a 0 (zero) come avviene nei fluidi, anche Vs = 0, quindi le onde trasversali S non si possono propagare nei mezzi fluidi (oceani, magmi). Sperimentalmente è stato accertato che √ Vp / Vs = √ 3 = 1,73 cioè le onde longitudinali P si propagano con una velocità che è circa una volta e mezza superiore a quella delle onde trasversali S. VELOCITA’ DELLE ONDE SISMICHE DI VOLUME Diagramma dei tempi di arrivo delle onde sismiche Modelli di propagazione delle onde sismiche Onde longitudinali POnde trasversali SOnde superficiali R

9 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ONDE DI SUPERFICIE Se gettiamo una pietra in uno stagno, dal punto d’impatto partono onde che sono dette superficiali. Queste sono controllate nei fluidi dalla gravità. Le onde superficiali si possono anche propagare nei solidi e in questo caso sono influenzate dalla elasticità del mezzo. Nei solidi riconosciamo due tipi principali di onde superficiali : le onde Rayleigh e le onde Love. Le onde Rayleigh si possono generare in un corpo compatto; le onde Love si generano soltanto in materiale non compatto. Modelli di propagazione delle onde superficiali di Rayleigh e di Love

10 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE Se si riesce a calcolare sperimentalmente la velocità delle onde elastiche per un certo numero di lunghezze d’onda, è possibile determinare lo spessore dello strato. Quando un’onda elastica incontra una superficie di separazione netta tra due mezzi a proprietà fisiche diverse, parte sarà riflessa e parte sarà rifratta secondo leggi del tutto simili a quelle delle onde luminose. Per le onde sismoelastiche, però, la verifica è più complessa perché vengono riflesse e rifratte due tipi di onde : le onde P e le onde S. Sopra: modello di riflessione delle onde sismiche Sotto: modello di rifrazione delle onde sismiche

11 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA PRINCIPIO DI FERMAT (Pierre de Fermat ) sulla propagazione delle onde : ‘Un’onda elastica sceglie il percorso più breve per andare da un punto ad un altro’. Nella sostanza : dei possibili tragitti di propagazione, l’onda elastica segue quello che impiega il minore tempo di percorrenza. LEGGE DI SNELL (Willebrands Snell o Snellius, olandese, ) applicabile per analogia al modello di propagazione delle onde sismiche : ‘Nella propagazione delle onde gli angoli di rifrazione e di riflessione sono legati all’angolo di incidenza per mezzo delle velocità VP e VS delle onde P ed S’. Poiché all’interno della Terra esistono importanti superfici di discontinuità, queste possono riflettere e rifrangere le onde sismiche in vari modi e ciò comporta che vi sia una grande varietà di percorsi potenzialmente possibili. Sperimentalmente: se si registrano riflessioni e rifrazioni nel percorso delle onde sismiche all’interno della Terra, significa che questa non è omogenea e presenta superfici di discontinuità fra materiali a densità diversa.

12 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Il tempo che impiegano i segnali che provengono dallo stesso terremoto ad arrivare ai vari osservatori sismici può essere registrato in modo tale che sia possibile risalire dal tempo di tragitto del sisma, alla distanza dell’epicentro. Le figure illustrano le curve dei tempi di tragitto per le onde P ed S in funzione delle distanze epicentrali rispetto a stazioni di ascolto sismico. RELAZIONE FRA PROFONDITA’ E VELOCITA’ SISMICA

13 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Abbiamo già appreso che la determinazione della struttura interna della Terra si basa essenzialmente sulla distribuzione delle velocità delle onde sismiche di compressione (Vp) e trasversali (Vs) prodotte in conseguenza di liberazioni improvvise di energia ottenute naturalmente (sismica attiva) o anche artificialmente (sismica passiva). Quest’ultima agevola soprattutto la conoscenza degli strati superficiali del nostro pianeta. Le misure di laboratorio sulle proprietà delle rocce e dei minerali mostrano che le velocità delle onde P sono legate alla composizione della Terra. La crosta continentale è costituita principalmente da rocce granitiche e da gabbri nelle parti più basse. Sul fondo degli oceani non ci sono graniti, poiché la crosta è interamente composta da basalti e da gabbri. Sappiamo già che nella zona più esterna della Terra si distingue una parte più superficiale detta crosta fortemente irregolare e sottile che dalla superficie si estende fino ad una prima discontinuità sismica (discontinuità di Mohorovicic detta in via breve Moho). Modello di stratigrafia crostale ottenuta da analisi sismiche.

14 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA, segue Nelle aree continentali la Moho si rinviene mediamente fra 30 e 40 km di profondità ; negli oceani a circa 7 km di profondità. La crosta nel suo insieme costituisce meno dell’ 1% della massa totale della Terra. La Moho è considerata una discontinuità primaria in corrispondenza della quale si verifica un brusco salto della velocità delle onde sismiche (VP passa da 6,5-6,8 km/sec a 7,8-8,4 km/sec). Studi sismologici particolarmente dettagliati tendono oggi a dimostrare come la transizione crosta- mantello nelle aree continentali non sia sempre così netta come si credeva. Infatti, specie sui dati della sismica a riflessione (HALE, THOMPSON 1982) si osservano sia discontinuità laterali che fenomeni di laminazione con alternanze di livelli a velocità variabile.

15 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA, segue Modelli di propagazione delle onde sismiche all’interno della Terra

16 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA SULLA BASE DELLA REGISTRAZIONE DELLA VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE IN FUNZIONE DELLA PROFONDITA’

17 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA SULLA BASE DELLA LETTURA DELLA VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE

18 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA LITOSFERA (con CROSTA), ASTENOSFERA, MANTELLO M = DISCONTINUITÀ DI MOHOROVICIC

19 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - LA CROSTA Tra la crosta continentale, fortemente eterogenea e quella oceanica, caratterizzata da un assetto molto più regolare, esiste un netto contrasto strutturale e composizionale. Ciò riflette i diversi meccanismi di genesi e di evoluzione dei due tipi di crosta. Il contrasto tra i due ambienti è evidenziato anche dall’età delle più antiche rocce affioranti. Infatti mentre i bacini oceanici hanno età massime relativamente giovani (250 MA), nelle aree continentali esistono nuclei molto antichi che risalgono fino a 3800 MA. Nelle aree continentali la eterogeneità strutturale è marcata dalla presenza di diverse discontinuità secondarie. Fra di esse la più importante è la discontinuità di Conrad che separa la crosta in due parti, una superiore e una inferiore. Discontinuità nell’ambito della crosta

20 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA – DISCONTINUITA’ DI CONRAD La discontinuità di Conrad in corrispondenza della quale VP salta da valori di 5,6 km/sec a 6,5 e anche più km/sec, si rinviene a una profondità variabile fra i 10 km e i 20 km. Tuttavia essa non è costantemente presente essendo in molte aree continentali piuttosto discontinua o incerta o addirittura assente. Tradizionalmente, comunque, anche in mancanza di una chiara discontinuità intermedia, viene ugualmente mantenuta la suddivisione della crosta continentale in superiore ed inferiore (granitica e gabbrica). Le caratteristiche fisiche medie fra i due strati risultano significativamente diverse; così, per esempio, la densità della crosta superiore è valutata intorno a 2,7 gr/cm 3 mentre quella inferiore si avvicina a 3 gr/cm 3. LA DISCONTINUITA’ DI CONRAD NELL’AMBITO DELLA CROSTA CONTINENTALE NON E’ SEMPRE INDIVIDUABILE O CONTINUA. DISCONTINUITA’ DI CONRAD

21 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - LA CROSTA OCEANICA Nelle aree oceaniche oltre a spessori marcatamente minori rispetto a quelli delle zone continentali, si osserva anche una struttura complessivamente più semplice ed omogenea. L’età dei bacini oceanici e quindi della relativa crosta, sembra rispondere a criteri di regolarità molto evidenti. Allontanandosi dalle dorsali medio-oceaniche, si osservano età via via più vecchie. Strettamente correlati con l’età appaiono altri parametri quali la profondità del fondo, il flusso di calore e, soprattutto, la profondità della discontinuità di Mohorovicic. Lo spessore medio di 7 km viene riferito alle aree cosiddette normali, cioè lontane dalle dorsali in corrispondenza delle quali, invece, lo spessore crostale si riduce drasticamente fino ad annullarsi. Età della crosta oceanica

22 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA – I MARGINI DELLA CROSTA L’esistenza di un forte contrasto strutturale tra la crosta oceanica e quella continentale rende particolarmente importanti le zone di raccordo tra i due ambienti. La transizione si realizza ai limiti delle aree continentali e più precisamente ai limiti della piattaforma continentale. Si distinguono due tipi di margine : - un margine continentale attivo che è caratterizzato da un’intensa attività tettonica e magmatica ed è contrassegnato nella parte oceanica da profonde e strette fosse (fosse oceaniche); - un margine continentale passivo lungo il quale è assente ogni attività vulcanica, mentre l’attività tettonica è estremamente ridotta (Oceano Atlantico, Oceano Indiano). I margini passivi possono essere più o meno paralleli alle dorsali medio-oceaniche ; in questo caso sono caratterizzati da uno stile tettonico distensivo e da faglie dirette. Esistono tuttavia anche margini passivi trasversali rispetto alle dorsali. Margini attivi Margine attivo Margini passivi Margine passivo Margine di scorrimento trasversale

23 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA STRUTTURA DELLA CROSTA CROSTA CONTINENTALECROSTA OCEANICA

24 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - MANTELLO Al di sotto della Moho inizia il MANTELLO TERRESTRE che si estende da circa km di profondità in media fino a 2900 km, dove è osservata una seconda discontinuità primaria (discontinuità di Gutemberg) che separa il Mantello terrestre dal Nucleo terrestre. Il mantello rappresenta circa il 68% della massa totale della Terra. L’esistenza nel suo corpo di discontinuità secondarie consente di suddividerlo in tre parti principali : - Il mantello superiore che costituisce la zona più importante dal punto di vista geologico e petrologico in quanto partecipa insieme alla Crosta a tutti i grandi processi geologici e rappresenta la regione di provenienza della maggior parte dei magmi. Si estende fino a circa km di profondità - Il mantello intermedio o di transizione che si spinge fino ad una profondità di almeno 1000 km, dove si verifica un incremento significativo della velocità delle onde sismiche. - Il mantello inferiore che si spinge fino alla grande discontinuità di Gutemberg a circa 2900 km di profondità. Probabile struttura dell’interno della Terra definita in base alla propagazione delle onde sismiche e loro discontinuità

25 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - MANTELLO NOTA: La porzione più esterna della Terra, pur presentando delle discontinuità sismiche che riflettono eterogeneità e variazioni anche importanti, presenta tuttavia un comportamento d’insieme coerente. In essa, infatti, si osservano velocità e capacità di trasmissione delle onde sismiche elevate. Ciò indica un comportamento rigido, tipico di solidi lontani dalla temperatura d’inizio fusione. Questa porzione esterna della Terra è chiamata LITOSFERA. Essa ha spessori variabili che si aggirano intorno a valori di 75 km nelle zone oceaniche, mentre nelle zone continentali si raggiungono valori di km che possono giungere ben oltre sotto i nuclei più antichi (archeozoici). La LITOSFERA include quindi il mantello superiore e la crosta, sia questa continentale oppure oceanica. La base della litosfera è spesso contrassegnata da una drastica riduzione della velocità delle onde sismiche ed in particolare delle onde S, che permette di individuare una fascia indicata con il nome di zona o canale a bassa velocità (LVL, Low velocity layer o LVC, Low velocity channel). La forte attenuazione della velocità delle onde sismiche è compatibile con un comportamento plastico del materiale costituente che si ritiene abbia raggiunto la temperatura di inizio fusione o sia molto vicina ad essa. L’Astenosfera corrisponde ad un canale di bassa velocità delle onde sismiche. Brusca caduta della velocità di propagazione delle onde sismiche

26 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Una fusione parziale molto piccola, dell’ordine dell’ 1 – 10% può spiegare le caratteristiche elastiche osservate. Questa regione plastica è chiamata Astenosfera e si estende dalla base della litosfera fino a una profondità media di 250 km dove il comportamento dei materiali torna ad essere rigido. La zona immediatamente sottostante l’Astenosfera prende il nome di Mesosfera. La struttura dei primi 700 km della Terra così come viene messa in luce dai dati della velocità delle onde S è riportata nella figura a lato. Da essa si evince come l’Astenosfera sia una zona caratterizzata da una velocità delle onde sismiche più bassa che in qualsiasi altra parte della Terra. La velocità delle onde sismiche e la densità della litosfera indicano per circa 70 km o poco più una composizione peridotitica ( peridoto o olivina ( (Ca,Mg) 2 SiO 4 ). A circa 100 km di profondità si verifica un cambiamento di fase che separa la litosfera solida dall’astenosfera più debole. L’Astenosfera, come detto, arriva fino ad una profondità media di circa 250 km dove le rocce diventano di nuovo interamente solide e dove si registra anche un leggero aumento della velocità delle onde sismiche con la profondità a causa della crescente pressione. ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA – MANTELLO, ASTENOSFERA Struttura della Terra per i primi 700 km) Limite Asternosfera Limite max dei terremoti profondi

27 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - MANTELLO In particolare, si nota un incremento molto rapido della velocità e della densità in una zona ristretta situata ad una profondità di circa 400 km (discontinuità di Repetti). Tale aumento è troppo elevato per essere causato da un cambiamento di composizione chimica per cui bisogna ipotizzare un cambiamento di fase, cioè un maggiore impacchettamento dei livelli atomici. Questa spiegazione teorica fu verificata nel 1969 da due ricercatori i quali, indipendentemente l’uno dall’altro, sottoposero cristalli di olivina a pressioni elevate trovando che ad una certa pressione e temperatura, i loro atomi assumevano un ordinamento più compatto e si trasformavano nella struttura dello spinello (MgAl 2 O 4 ). Tali condizioni critiche di pressione e di temperatura corrispondono a quelle che si trovano nella Terra ad una profondità di 400 km. Esiste un’altra zona, intorno ai 650 km in cui è stato notato un rapido cambiamento; ad essa segue una fascia in cui le caratteristiche variano gradualmente con la profondità. Esperimenti recenti hanno provato che la struttura cristallina tipo perovskite (CaTiO 3 ) è quella maggiormente presente nelle rocce del mantello al di sopra di 300 Kbar di pressione, equivalenti ad una profondità di 650 km. REPETTI

28 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - MANTELLO Le prove geofisiche e quelle geochimiche indicano che il mantello è composto principalmente da O 2, Si, Mg, Fe ma non vi è accordo su come questi elementi si siano uniti tra loro per formare i minerali e su come le strutture dei minerali stessi si combinino a diverse pressioni e temperature a profondità diverse. Il mantello inferiore che si estende da circa 1000 km fino a 2885 km circa, profondità corrispondente al limite con il nucleo, mostra dei piccoli cambiamenti sia nella composizione chimica che nella fase. Al suo interno la velocità delle onde sismiche e la densità crescono abbastanza regolarmente via via che la pressione aumenta. MODELLI DI STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA

29 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Nel nucleo è presente un’importante discontinuità a circa 5200 km (discontinuità di Lehman o anche di Jeffreys-Caloi) che permette di distinguere due regioni principali e cioè un nucleo esterno alla sommità del quale si estinguono le onde S e che per questa ragione è considerato fluido e un nucleo interno che assume di nuovo le caratteristiche di un solido. In particolare si è visto che i dati delle oscillazioni libere della Terra in seguito a un terremoto richiedono un nucleo interno solido caratterizzato da una velocità media delle onde trasversali S di circa 3,6 km/sec. L’osservazione di tali onde nel suo interno permette di stabilirne la rigidità. Le prove sperimentali mostrano che il nucleo interno è costituito principalmente da Fe e Ni, mentre Il nucleo esterno è costituito da Fe fuso amalgamato con l’ 8 – 20 % di elementi più leggeri. Non c’è nessuna evidenza che permetta di identificare gli elementi leggeri presenti nel nucleo esterno ; è stata ipotizzata la presenza di Si, S e forse anche O 2. ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - NUCLEO TERRESTRE MODELLO DI STRUTTURA DEL NUCLEO TERRESTRE

30 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA La sismologia ci fornisce una fotografia istantanea dell’interno della Terra, così come è attualmente, ma non ci dà alcuna informazione circa la sua struttura nel passato e la sua possibile evoluzione. L’esistenza di un nucleo esterno liquido e di uno interno solido fanno sorgere il problema dell’origine della Terra. Il nostro Pianeta ha sempre avuto questa struttura, oppure si è evoluto nel corso del tempo geologico ? Questo problema non può essere scisso da quello più ampio sull’origine della Terra e del sistema solare. Si pensa che l’embrione della Terra fosse omogeneo e che soltanto più tardi si sia differenziato in nucleo, mantello e crosta. ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - NUCLEO TERRESTRE MODELLO DI DIFFERENZIAZIONE GRAVITATIVA DELLA TERRA

31 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - NUCLEO TERRESTRE Si pensa peraltro che il campo magnetico terrestre sia dovuto a un qualche tipo di induzione elettromagnetica che interessa la parte esterna del nucleo, fluida ed elettricamente conduttrice. Si è anche visto che le rocce con un’età di 3000 MA presentano una magnetizzazione residua per cui la Terra deve aver avuto a quell’epoca un nucleo esterno liquido di dimensioni paragonabili a quelle attuali. Il problema maggiore nella comprensione dell’evoluzione della Terra è capire come essa, tanto tempo fa, abbia potuto riscaldarsi a tal punto da arrivare ad avere un nucleo esterno fluido costituito da Fe. In un modello accreditato si suppone che correnti fluide nell’ambito della parte esterna del nucleo terrestre creino le condizioni adatte per la formazione di un campo magnetico permanente. CORRENTI CONVETTIVE NEI VARI INVOLUCRI DELLA TERRA

32 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE UNINA PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE – 21. STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA Attualmente si ritiene che i tempi richiesti per la formazione del nucleo siano elevati : da circa 20 MA dopo l’originale accrezione fino ad un massimo di 500 MA. Ciò significa che la formazione del nucleo si sarebbe completata nel primo decimo della storia della Terra. Il passaggio successivo da un nucleo alquanto omogeneo, completamente fuso, fino allo stato attuale che prevede un nucleo interno solido ed uno esterno fluido contenente alcuni elementi leggeri amalgamati fra loro, è un altro problema. Questa evoluzione sarebbe avvenuta molto più lentamente tanto da non essere ancora terminata. Bisogna ricordare che la crescita del nucleo interno avrebbe rilasciato energia gravitazionale, la quale costituisce la sorgente principale per il movimento della dinamo terrestre e per la produzione di calore interno. ANALISI DELLA STRUTTURA DELLA TERRA - NUCLEO TERRESTRE Curve sperimentali di diversi materiali sottoposti ad onde d’urto in condizioni di compressione diverse ci porta a ritenere che il mantello terrestre potrebbe essere costituito da dunite e il nucleo da una lega di ferro con presenza di silicio.