La Terra Età 4,5 miliardi di anni versione blu Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini La Terra Età 4,5 miliardi di anni versione blu

Capitolo 9 L’interno della Terra Al di sotto del suolo setoso, di tutta la crosta scricchiolante, molto più in profondità dell’oceano, passate le rocce che soffrono con altre rocce, lì, nell’oscurità più profonda del globo, nelle sue lussuriose viscere, riesci a sentire il grugnire e lo sferzare del magma che si solleva e si rimescola? ROBERT PENN WARREN

Capitolo 9 L’interno della Terra Lezione 23 Dentro la Terra §9.1 Conoscenze dirette §9.2 Densità della Terra §9.3 Analogie con altri corpi del sistema solare §9.4 Temperatura e profondità §9.5 Campo magnetico e interno della Terra Lezione 24 L’indagine sismologica §9.6 Onde sismiche e interno della Terra §9.7 La zona d’ombra 3 3

Capitolo 9 L’interno della Terra Lezione 25 Struttura stratificata della Terra §9.8 Crosta, mantello e nucleo §9.9 La zona a bassa velocità §9.10 Litosfera e astenosfera §9.11 Il principio di isostasia §9.12 Geoterma §9.13 Flusso di calore 4 4

• i più profondi pozzi minerari arrivano alla profondità di 4 km; §9.1 Conoscenze dirette Raccogliere informazioni dirette sull’interno della Terra non è possibile se non entro uno strato superficiale di appena 12 km. Infatti: • i più profondi pozzi minerari arrivano alla profondità di 4 km; • le caverne più profonde arrivano a 2 km; • le perforazioni più profonde arrivano a 12 km. 5

§9.1 Conoscenze dirette Rispetto alle dimensioni della Terra (il raggio terrestre misura oltre i 6370 km), pozzi minerari, grotte e trivellazioni raggiungono una profondità del tutto trascurabile. 6

§9.2 Densità della Terra È possibile conoscere in modo indiretto la composizione e la struttura interna della Terra. Per questo è necessario studiare alcune caratteristiche fisiche del nostro pianeta come: • la densità; • la temperatura; • il campo magnetico. 7

La densità può aumentare all’aumentare della pressione. §9.2 Densità della Terra La densità media della Terra è nettamente superiore alla densità delle rocce superficiali, perciò l’interno della Terra deve essere formato da materiali più densi. La densità può aumentare all’aumentare della pressione. 8

§9.2 Densità della Terra Si stima che al centro della Terra la pressione sia tra 3,5 e 4 milioni di volte maggiore della pressione atmosferica. Le elevatissime pressioni interne alla Terra non sono la causa prima delle elevate densità interne. All’interno della Terra le elevate densità sono dovute a variazioni della composizione dei materiali presenti. 9

§9.3 Analogie con altri corpi del sistema solare Le meteoriti sono frammenti di materia extraterrestre che talvolta attraversano l’atmosfera e cadono sulla Terra. La meteorite di Hobe, scoperta in Namibia, è la più grande del mondo. Pesa 66 tonnellate; è composta da ferro (82%), nichel (16%), cobalto (1%) e altri elementi (1%). Le meteoriti forniscono informazioni sulla possibile composizione dei materiali interni della Terra. 10

§9.3 Analogie con altri corpi del sistema solare Le meteoriti sono di tre tipi: • meteoriti rocciose formate da silicati, soprattutto mafici; • meteoriti ferrose formate da una lega di ferro e nichel; • meteoriti roccioso-ferrose formate sia da silicati che da ferro e nichel. 11

§9.3 Analogie con altri corpi del sistema solare Se assumiamo che le meteoriti rappresentano un campione della composizione dei pianeti terrestri, anche la Terra dovrà essere composta da silicati e da una lega metallica di ferro e nichel. Poiché i silicati si trovano abbondantemente nello strato più esterno della Terra, la lega di ferro e nichel non può che trovarsi in profondità. Ciò spiegherebbe perché la densità della Terra è molto più elevata di quella dei materiali presenti sulla sua superficie. 12

§9.4 Temperatura e profondità La temperatura terrestre aumenta di circa 2,7°C ogni 100 m con la profondità, anche se in modo non regolare. Aumento della temperatura con la profondità nella galleria del Sempione. Durante i lavori ci fu l’attraversamento di zone in cui la temperatura raggiungeva 45°C. 13

§9.4 Temperatura e profondità L’incremento di temperatura, espresso in °C, che si registra ogni 100 m di profondità è definito gradiente geotermico. Il gradiente geotermico non è costante, altrimenti il centro terrestre arriverebbe a 170.000 °C e la Terra esploderebbe in una nube di gas. L’interno terrestre è molto caldo (4000/4500°C), ma le rocce, che in superficie fonderebbero a 1000 °C, in profondità subiscono l’effetto delle elevate pressioni che ostacolano la fusione. 14

§9.5 Campo magnetico e interno della Terra La Terra si comporta come una gigantesca calamita. Il campo magnetico di una calamita viene rivelato dagli allineamenti disegnati da limatura di ferro sparsa su un foglio di carta. Come una calamita genera un campo magnetico, così la Terra genera il campo magnetico terrestre. 15

§9.5 Campo magnetico e interno della Terra Un campo magnetico è descritto da linee di forza (un ago magnetizzato è sempre parallelo alle linee di forza) che confluiscono nei poli del magnete. Le linee di forza del campo magnetico terrestre confluiscono nei poli magnetici terrestri. I poli magnetici terrestri formano un angolo di circa 11° con i poli geografici. 16

§9.5 Campo magnetico e interno della Terra Al di sopra dei 600 °C le sostanze magnetiche perdono le loro proprietà; a causa delle alte temperature, nessun magnete può essere presente all’interno della Terra. Il campo magnetico terrestre può dipendere solo dalla presenza in profondità di un flusso di correnti elettriche. Il denso nucleo di ferro e nichel, in grado di condurre la corrente elettrica, giustifica la presenza del campo magnetico terrestre. 17

§9.6 Onde sismiche e interno della Terra Lo studio della propagazione delle onde sismiche P e S (onde di volume) fornisce informazioni decisive per la comprensione della struttura e della composizione dell’interno terrestre. In un mezzo omogeneo le onde P e S viaggiano in linea retta e a velocità costante. 18

§9.6 Onde sismiche e interno della Terra Passando da un mezzo ad un altro le onde subiscono una rifrazione, cambiano cioè la loro direzione e la loro velocità di propagazione. La superficie che separa i due mezzi è detta superficie di discontinuità. La velocità delle onde è tanto maggiore quanto più rigido ed elastico è il mezzo. 19

§9.6 Onde sismiche e interno della Terra Un’onda sismica che attraversa una superficie di discontinuità subisce una rifrazione. La rifrazione provoca un avvicinamento dalla perpendicolare nel punto di rifrazione, se nel secondo mezzo l’onda diventa meno veloce. La rifrazione provoca un allontanamento dalla perpendicolare nel punto di rifrazione, se nel secondo mezzo l’onda si muove più velocemente. 20

§9.6 Onde sismiche e interno della Terra Se la velocità di propagazione delle onde sismiche fosse sempre costante, il fronte d’onda si propagherebbe lungo una retta. La rifrazione causata dal cambiamento delle caratteristiche del mezzo di propagazione con la profondità determina una propagazione curvilinea del fronte d’onda. 21

§9.6 Onde sismiche e interno della Terra L’analisi sismologica evidenzia che le onde sismiche giungono ai sismografi posti in diverse località seguendo traiettorie curve. 22

§9.7 La zona d’ombra Quando si verifica un terremoto, le onde P e S non si rilevano tra gli 11.000 e i 16.000 km di distanza dall’epicentro. La zona d’ombra registrata a seguito di un terremoto avvenuto in Giappone. La fascia di superficie terrestre compresa tra 11.000 e 16.000 km dall’epicentro è detta zona d’ombra. 23

Oltre la zona d’ombra si rilevano solo le onde P. La zona d’ombra è causata da una superficie di discontinuità che provoca forti deviazioni delle onde. La mancanza di onde S oltre la zona d’ombra è dovuta alla presenza di materiale fuso oltre la superficie di discontinuità. A differenza delle onde P che possono attraversare solidi, liquidi e gas, le onde S si propagano solo all’interno di mezzi solidi. 24

§9.7 La zona d’ombra La presenza di una zona d’ombra per le onde P compresa fra 11.000 e 16.000 km dall’epicentro può essere spiegata con la deviazione che le onde P subiscono nel passaggio a un mezzo di propagazione meno rigido all’interno della Terra. La maggiore estensione della zona d’ombra delle onde S rispetto a quella delle onde P indica che le onde S non si propagano nel mezzo di propagazione meno rigido all’interno della Terra. 25

§9.8 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. 26

§9.8 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. 27

§9.8 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. 28

§9.8 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. 29

§9.8 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. 30

§9.8 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. 31

§9.8 Crosta, mantello e nucleo Il mantello costituisce il 67% della massa terrestre. Esso è 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. 32

§9.9 La zona a bassa velocità Le onde P e S, quando si propagano nel mantello, subiscono un rallentamento a partire dai 100 km di profondità fino a circa 200 km. Si tratta della zona a bassa velocità. 33

§9.9 La zona a bassa velocità 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. Velocità di propagazione delle onde S nel mantello. 34

§9.9 La zona a bassa velocità 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. Piccoli aumenti della temperatura o diminuzioni della pressione rendono possibile la fusione delle rocce con produzione di magmi e lave. 35

§9.10 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. Questo strato esterno rigido che comprende la crosta e la parte superiore del mantello è chiamato litosfera. 36

§9.10 Litosfera e astenosfera Lo strato compreso tra i 100 km e i 200 km di profondità viene chiamato astenosfera. Esso, a differenza della litosfera, è formato da materiali particolarmente plastici, perché molto vicini alla fusione. Lo strato del mantello che si trova al di sotto della astenosfera è chiamato mesosfera. 37

§9.10 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. 38

§9.11 Il principio di isostasia Blocchi di legno di diverso spessore posti in acqua ricevono una spinta idrostatica verso l’alto tanto maggiore quanto maggiore è il volume d’acqua spostato (principio di Archimede). 39

§9.11 Il principio di isostasia Il legno che ha maggiore spessore emerge di più e nello stesso tempo è più sprofondato rispetto a quello meno spesso. 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. 40

§9.11 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. 41

§9.11 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. 42

§9.11 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. 43

§9.12 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. 44

§9.12 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. 45

Il calore interno ha duplice origine: §9.13 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. 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. Il calore interno ha duplice origine: • in parte è il residuo del calore immagazzinato dal pianeta ai primordi della sua formazione; • in parte è il prodotto della radioattività naturale delle rocce. 46

§9.13 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. 47

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. 48

§9.13 Flusso di calore Temperature registrate alla profondità di 2.000 metri dalla superficie. 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). 49