Esplorazione della Terra: dalle profondità agli strati interni

Profondità degli scavi umani

Fino a dove arrivano gli scavi umani rispetto al centro terrestre?

Il centro della terra si trova a 6370km dalla superficie mentre le miniere più profonde sono in Sud Africa a 3,6km e le perforazioni per il petrolio non superano i 7 km

→ Rocce catene montuose, in origine anche fino a 60km di profondità

→ Materiali eruttati

→ Meteoriti

Struttura interna della Terra

Dai 50 ai 100 km di profondità:

Disciplina

Evidenze indirette

Geofisica (di cui fa parte sismologia)

Campo gravitazionale terrestre e onde sismiche

Geochimica

Composizione strati terra e i processi che hanno portato a questa distribuzione elementi

Petrologia

Composizione rocce e processi che le hanno generate

Se campo magnetico uniforme in tutta la terra come quello in superficie la forza di gravità dovrebbe avere un valore pari alla metà di quella reale, allora l’interno della terra ha rocce più dense.

Onde sismiche e loro caratteristiche

Cosa si è dedotto tramite onde sismiche?

Grazie alle onde sismiche si è giunti al modello della struttura interna a strati e dalle superfici di discontinuità tra un guscio e l’altro. Ciascuno strato ha caratteristiche fisiche e chimiche differenti dal precedente, infatti le onde hanno diverse velocità.

Dall’ipocentro si propagano due tipi di onde:

• Longitudinali, o di compressione: si propagano per compressione e dilatazioni successive, facendo vibrare il corpo nella stessa direzione di propagazione; inoltre, provocano una variazione di volume del corpo attraversato.

• Trasversali, o di taglio: si propagano in maniera perpendicolare alla vibrazione e apportano una variazione della forma della roccia attraversata.

Longitudinali o di compressione.

Trasversali o di taglio

Stessa direzione

Varia il volume

Attraversano sia solidi che liquidi

Vengono rilevate per prime (8km/s): la velocità cresce all’aumento della densità

Vengono registrate come onde P, ossia prime

Perpendicolari alla vibrazione

Varia la forma

Non attraversano liquidi

Sono più lente (4-6 km/s) ma partono contemporaneamente alle longitudinali

Vengono registrate come onde S ossia seconde

Partono dall’epicentro e si propagano soltanto sulla superficie terrestre, infatti sono dette superficiali e provocano danni maggiori.

Producono oscillazioni perpendicolari alla direzione di propagazione.

Sono più lente della 2 precedenti, percorrono ad una velocità costante di 3,5km/s e ci impiegano circa 3h e 10 minuti per compiere il giro completo del globo.

Si distinguono due tipi di onde L:

1. Compiono un movimento circolare con un’orbita di tipo ellittico, che causa vibrazioni verticali -> scosse ondulatorie

2. Il terreno è scosso lateralmente senza alcun movimento verticale -> scosse sussultorie

Per poter analizzare queste tipologie di onde si usano i sismografi, strumenti in grado di percepire anche la più lieve scossa. Dopo aver rilevato il passaggio delle onde sismiche lo illustra attraverso un sismogramma, il quale fornisce informazioni utili sia sull’ordine di arrivo delle onde ma anche la distanza dall’epicentro piuttosto che il quantitativo di energia emesso.

Origine e formazione della Terra

Oltre ai dati sismologici e gravitazionali, gli studi sulla terra Primordiale sono stati fondamentali per comprendere la divisone nella terra.

4,6 miliardi di anni fa una massa di polveri e gas ha portato alla formazione dapprima della galassia e poi dei pianeti.

Le rocce più antiche della Terra hanno circa 4 miliardi di anni, dunque, vi sono circa 600 milioni di anni di anni di distacco dalla formazione: gli scienziati credono nell’ipotesi secondo cui i corpi rocciosi primordiali, detti planetesimi si siano aggregati. La terra sarebbe stata colpita da un corpo pari alle dimensioni di Marte, di cui una parte, la nostra Luna, è rimasta ad orbitare intorno alla Terra. Una pioggia ininterrotta di planetesimi ha proseguito a colpire la terra fino a 3800 milioni di anni fa, formando i buchi sulla luna.

Inoltre, per questa ragione non vi sono rocce più antiche di 3800 milioni di anni, perché le più antiche sono state distrutte e fuse.

Per gli impatti la Terra si iniziò ad ingrossare e a surriscaldare per:

1. Energia cinetica dell’impatto in termica

2. Aumento pressione a cui erano soggette le parti interne a causa dell’aumento di materiale esterno (riscaldamento adiabatico)

3. Isotopi radioattivi a vita breve, come l’uranio, che tramutano energia cinetica in termica ai materiali circostanti

4. Radioattività di elementi a vita lunga attuale, detta CALORE RADIOGENICO, come 40K con dimezzamento fino a 5 miliardi di anni

Si è raggiunta quindi la temperatura di fusione del ferro a una profondità tra 400-800km, spostandosi a gocce verso il basso e facendo salire i materiali più leggeri e si creò una differenziazione gravitativa.

I silicati, più leggeri sono risaliti, liberando energia gravitazionale che tramite l’attrito si è trasformata in calore

Il granito è la rocca più ricca di minerali radioattivi e si trova solo nei continenti, allora il calore negli oceani deriva solo da quello interno terrestre e quello sui continenti è in buona parte dovuta alla radioattività del granito.

Calore terrestre e gradiente geotermico

Il gradiente geotermico è l’aumento in gradi centigradi di temperatura ogni 100 metri, pari circa a 3 gradi. In caso di corpi magmatici vi sarà un gradiente anomalo fino a 15 gradi in sistemi geotermici detti idrotermali o convenzionali:

- Balneologia termale: Colli Euganei, sorgenti calde curative, ma anche Abano, in Europa, più importante ricreativo e civile.

- Teleriscaldamento a Ferrara.

- Acquacultura, produzione di acqua salata.

- Floricoltura.

➢ Produzione dell'energia elettrica: dal 1905 quando vennero accese 5 lampadine tramite vapore a Lardello.

In Italia ci sono 34 centrali geotermiche, tutte in Toscana, che soddisfano il 30% del fabbisogno regionale.

Inoltre, i sistemi non convenzionali sfruttano l’acqua sotterranea vicino alla superficie, per riscaldamento in case e riduzione di CO2.

Il grado geotermico corrisponde all’aumento di 1 grado ogni tot metri (circa 39).

• 3700 gradi nucleo-mantello.

• 5000 nucleo.

La geoterma è la curva che esprime l’aumento di temperatura in base alla profondità.

Il flusso di calore è la quantità di energia termica che sfugge alla terra per tempo e area. Ha unità di misure HFU, Heat flow unit:

•

• > 2 HFU, più attiva o spesso minore. O al centro dorsale oceanica.

Il flusso di calore decresce con l’aumentare dell’età della roccia, sia continentale che oceanica.

Quella fisica considera le proprietà reologiche, ovvero la risposta alle sollecitazioni meccaniche:

− Elastico e fragile, fratturano

− Elastico e duttile, deformano

Chimica mineralogica.

Fisica.

Struttura e composizione del mantello

Crosta: montagne, continenti, fondi oceani (3-90km).

Discontinuità: MOHO

Litosfera, guscio esterno e rigido che reagisce in maniera elastica, comprende crosta e lid (parte alta mantello superiore, detto mantello litosferico)

Mantello superiore (fino 400), di cui la parte più in alto (lid) attenua le onde sismiche rallentandole

Mantello inferiore (670-2900km) e costituisce il 49% della massa della Terra e dove l’aumento è graduale

Discontinuità Gutemberg, brusco aumento velocità onde, per aumento densità

Astenosfera, materiali parzialmente fusi che permettono slittamento delle placche, comportamento plastico. Onde sismiche bassa velocità, passano S per questo parziale fusione:

→ 60-70km oceani

→ 110-150 continenti fino massimo 300km

La parte superiore è più fragile mentre quella sottostante più duttile

Mesosfera, 250km principale parte del mantello, è rigida, poco deformabile

Nucleo terrestre e sue proprietà

Nucleo esterno (2900-5200), che corrisonde alla discontinuità di LEHMANN, viene considerato origine del campo magnetico e allo stato liquido:

→ P rallentano bruscamente

→ S non passano

→ P aumenta bruscamente

→ S di nuovo trasmesse

Il nucleo è quindi solido ma vicino al punto di fusione

Nucleo

Nucleo

Ha le dimensioni di Marte, con raggio 3470 km e corrisponde a 16% volume e 32% massa

Nucleo esterno (2900-5200), che corrisponde alla discontinuità di LEHMANN, viene considerato origine del campo magnetico e allo stato liquido e omogeneo, mescolato da correnti convettive:

→ P rallentano bruscamente

→ S non passano > stato fuso, temperatura 3000 gradi

Nucleo interno, con raggio 1170 km e temperatura 5000 gradi

→ P aumenta bruscamente

→ S di nuovo trasmesse ma velocità bassa

Il nucleo è quindi solido ma vicino al punto di fusione

Le onde S e P sono soggette a zone d’ombra, ovvero non vengono trasmesse oltre certe aree, quella S è più ampia.

A una distanza dall’ipocentro in superficie all’epicentro, maggiore di 11.000 km le onde S non giungono perciò si è compresa la natura liquida del nucleo esterno, presso la così detta discontinuità di Gutenberg

Il nucleo interno è costituito da elementi con numero atomico maggiore di 23, come ferro e nichel ma solo il ferro è sufficientemente presente nel sistema solare per essere nel nucleo in tale quantità, anche dallo studio delle meteoriti.

Inoltre, è necessario ammettere la presenza di elementi più leggeri come ossigeno e zolfo poiché la composizione ferro-nichel risulterebbe troppo densa.

Mantello superiore: (fino 400), di cui la parte più in alto (lid) tra i 5 e i 200km di profondità e presenta velocità sismiche maggiori che vengono poi attenuate, rallentandole. La zona sottostante tra 100-300 km di profondità ha velocità bassa e assente sotto le radici dei continenti, qui vi è una fusione parziale delle rocce e permette movimenti placche, oltre che conduttività elettrica. Il mantello superiore è abbastanza omogeneo e in prevalenza di silicati. La composizione si deduce dalle eruzioni basaltiche. Nel mantello superiore, rocce ultra-femiche: peridotite, eclogite

Mantello inferiore (670-2900km) e costituisce il 49% della massa della Terra e dove l’aumento è graduale. Principalmente Perovskite ed è abbastanza omogeneo tranne negli ultimi km prima del nucelo dove vi è un cambio di materiali detto strato D

Il mantello inoltre è un fluido ad alta viscosità, che quando attraversato da onde reagisce come un corpo rigido ma elastico

Discontinuità Gutemberg, brusco aumento velocità onde, per aumento densità, che porta al nucleo.

Isostasia e movimenti della crosta

Crosta: montagne, continenti, fondi oceani (3-90km)

• Continentale (spessore 30-90 km) 79% volume crosta

• Oceanica (5-15km) e 59% area totale

Discontinuità: MOHO, porta ad un brusco aumento onde P da 6,6 a 8 km/s. È spessa 100 metri sotto le aree oceaniche e fino 1km in corrispondenza della crosta terrestre. La temperatura sotto i continenti è circa 600 gradi mentre per oceani 150.

Equilibrio tra terre emerse proporzionale, per il principio di Archimede, a radici dei continenti. Allora le montagne avranno radici maggiori, la loro crosta per isostasia si alzerà mentre la Moho si abbasserà. Quando una montagna viene erosa la Moho si alzerà nel corso di milioni di anni.

Data la viscosità del mantello come fluido, si potrà raggiungere una nuova isostasia solo in tempo estremamente lunghi.

Mentre lo scioglimento dei ghiacciai è molto veloce mentre la risposta isostatica è lenta per questo le terre rischiano di essere sommerse, come accadde nei paesi scandinavi da 3-4 km di ghiaccio durante l’ultima glaciazione.

Il peso del ghiaccio ha abbassato le terre ma con il suo scioglimento stanno ancora riemergendo.