La Terra e il paesaggio Dinamiche della geosfera Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini La Terra e il paesaggio Dinamiche della geosfera Secondo biennio e quinto anno

Capitolo 5 I movimenti della Terra solida Lezione 25 Struttura stratificata della Terra

Crosta, mantello e nucleo La superficie di discontinuità responsabile della zona d’ombra segna il passaggio dalle rocce silicatiche ai materiali ferrosi, si trova ad una profondità di 2.900 km ed è chiamata discontinuità di Gutenberg. Le discontinuità sono state individuate perché in loro corrispondenza si verificano repentini cambiamenti delle velocità di propagazione delle onde sismiche.

Crosta, mantello e nucleo Le variazioni di velocità delle onde sismiche hanno evidenziato l’esistenza di altre due superfici di discontinuità. La prima è la discontinuità di Mohorovičić, detta in breve Moho, che si trova, internamente alla porzione silicatica, alla profondità media di 30 km. La seconda è la discontinuità di Lehmann che si trova, internamente alla porzione ferrosa, alla profondità di 5100 km.

Crosta, mantello e nucleo Le tre discontinuità dividono l’interno della Terra in gusci concentrici: la crosta, il guscio più esterno di silicati felsici e mafici; il mantello, il guscio intermedio di densi silicati ultramafici; il nucleo ferroso esterno, fuso; il nucleo ferroso interno, solido.

Crosta, mantello e nucleo L’interno della Terra, sulla base del comportamento delle onde sismiche, è suddiviso in crosta, mantello e nucleo. La crosta ha spessore medio di 30 km; il mantello arriva fino a 2.900 km di profondità; il nucleo, che occupa lo spazio restante, è suddiviso in una parte esterna liquida e una parte interna solida.

Crosta, mantello e nucleo La crosta può essere di due tipi: crosta continentale di composizione felsica, in corrispondenza dei continenti; crosta oceanica di composizione mafica, in corrispondenza dei fondi oceanici. La Moho è più profonda in corrispondenza dei continenti e più superficiale in corrispondenza degli oceani.

Crosta, mantello e nucleo L’andamento della Moho è irregolare e riflette in modo quasi simmetrico l’andamento della superficie terrestre. Infatti, la crosta è più spessa in corrispondenza delle aree continentali e, in particolare, delle catene montuose, mentre è più sottile in corrispondenza dei fondali oceanici.

Crosta, mantello e nucleo Il mantello costituisce il 67% della massa terrestre. E` formato da silicati ultramafici ed ha una densità di circa 3,4 kg/dm3. La roccia più abbondante del mantello è la peridotite. Il nucleo esterno liquido è formato da ferro e nichel e da altri elementi come silicio, ossigeno e zolfo. Il nucleo interno solido è formato da ferro.

La zona a bassa velocità Lo strato del mantello compreso tra 100 e 200 km di profondità è definito zona a bassa velocità. Le onde P e S subiscono un rallentamento quando si propagano nella zona a bassa velocità del mantello.

La zona a bassa velocità Velocità di propagazione delle onde S nel mantello. La discontinuità di Mohorovičić è evidenziata da un brusco aumento della velocità. La velocità poi cresce con sostanziale regolarità nel mantello. Fa eccezione lo spessore compreso fra le profondità di 100 e 200 km, in cui la velocità delle onde sismiche diminuisce. Per la particolare combinazione di temperatura e pressione, le rocce dello strato a bassa velocità sono molto vicine alla fusione e possono contenere piccole quantità di materiale fuso. In queste condizioni, anche un moderato aumento della temperatura o una locale diminuzione della pressione rendono possibile la fusione dei materiali con produzione di magma.

Litosfera e astenosfera La presenza della zona a bassa velocità dimostra che le differenze interne possono riguardare la composizione ma anche le proprietà meccaniche dei materiali presenti. Dalla superficie fino alla profondità di 100 km i materiali hanno un comportamento rigido. Lo strato esterno rigido che comprende la crosta e la parte superiore del mantello è chiamato litosfera.

Litosfera e astenosfera Lo strato compreso tra i 100 km e i 200 km di profondità viene chiamato astenosfera. L’astenosfera, a differenza della litosfera, è formata da materiali particolarmente plastici, perché molto vicini alla fusione. Lo strato del mantello che si trova al di sotto della astenosfera è chiamato mesosfera.

Litosfera e astenosfera La Terra può essere suddivisa in strati concentrici, in base a due criteri. Seguendo il criterio della composizione chimica, si possono distinguere crosta, mantello e nucleo. Seguendo il criterio delle proprietà meccaniche, abbiamo litosfera, astenosfera, mesosfera e nucleo.

Il principio di isostasia Per il principio di Archimede, un corpo immerso in un liquido riceve una spinta verso l’alto tanto maggiore quanto maggiore è il volume di liquido spostato. Due blocchi di legno si dispongono a diverse altezze sulla superficie del liquido: quanto più alta è la parte che emerge, tanto più i blocchi affondano nell’acqua. Il legno che ha maggiore spessore emerge di più e nello stesso tempo è più sprofondato rispetto a quello meno spesso.

Il principio di isostasia Il principio di isostasia afferma che i blocchi crostali galleggiano sul materiale sottostante a causa di una spinta analoga a quella idrostatica. Se la crosta si appesantisce si spinge verso il basso; se la crosta si alleggerisce tende a sollevarsi. La Moho è poco profonda sotto gli oceani e molto profonda sotto i continenti.

Il principio di isostasia (A), per il principio di isostasia le parti più rilevate sono anche più sprofondate negli strati sottostanti. (B), per effetto dell’erosione le aree montuose si alleggeriscono mentre per effetto della sedimentazione i bacini si appesantiscono. (C), un nuovo equilibrio isostatico è raggiunto con movimenti verticali, verso l’alto nelle aree montuose e verso il basso in quelle dei bacini di sedimentazione. I blocchi di crosta e il mantello si trovano normalmente in uno stato di equilibrio, che prende il nome di equilibrio isostatico.

Il principio di isostasia La regione scandinava è oggi interessata da spinte verticali che la sollevano di circa un centimetro all’anno. Fino a 10.000 anni fa la penisola era gravata da uno spessore di oltre 3.000÷4.000 metri di ghiaccio. Le linee chiuse collegano i punti nei quali si è avuto lo stesso sollevamento negli ultimi 5.000 anni. Lo scioglimento dei ghiacci è un processo rapidissimo dal punto di vista geologico (3.000÷4.000 anni), mentre la risposta isostatica, il sollevamento della crosta, è molto più lenta.

Geoterma Esperimenti di laboratorio permettono di determinare le temperature di fusione dei materiali terrestri alle diverse pressioni e pertanto alle diverse profondità. È possibile costruire una curva detta geoterma, che rappresenta l’andamento della temperatura all’interno del pianeta.

Geoterma L’incremento di temperatura diminuisce con la profondità, cioè la temperatura aumenta sempre più lentamente, fino a stabilizzarsi nelle zone più profonde. Tra le profondità di circa 100 e 200 km la geoterma e la curva del punto di fusione corrono molto vicine. A quelle profondità, i materiali del mantello sono molto vicini al punto di fusione e si comportano in modo plastico.

Flusso di calore La superficie della Terra è continuamente attraversata da un flusso di calore, grazie al quale è lentamente dispersa l’energia interna del pianeta. Il calore interno ha duplice origine: in parte è il residuo del calore immagazzinato dal pianeta ai primordi della sua formazione; L’energia dispersa mediamente in 1 anno da 1cm2 di superficie è di 50 calorie e corrisponde allo 0,02% del calore che riceviamo dal Sole. in parte è il prodotto della radioattività naturale delle rocce.

Flusso di calore Il calore solare non supera lo strato di rocce più esterne. Il flusso del calore interno che attraversa la superficie è la somma del calore fossile e di quello prodotto dalle rocce radioattive. Il diverso spessore delle frecce indica la variazione del flusso di calore a causa dell’isolamento termico, dovuto alla bassa conducibilità delle rocce attraversate.

Flusso di calore Il flusso di calore varia da luogo a luogo. I valori più bassi della media si rilevano nelle aree geologicamente stabili. I valori più alti della media si rilevano nelle regioni geologicamente attive. L’Italia è un’area geologicamente giovane e instabile che presenta flusso termico elevato con picchi notevoli nelle regioni tirreniche.

Flusso di calore L’Italia è una regione in cui il flusso di calore è in media superiore al normale, in particolare nelle aree sede di attività vulcanica e in quelle che lo sono state in un passato geologicamente recente. È evidente che l’area tirrenica della Toscana e del Lazio è una regione che «scotta». In bianco le aree non campionate. (Rielaborata da una carta del CNR). Temperature registrate alla profondità di 2.000 metri dalla superficie.