Esplorazione delle profondità terrestri: onde sismiche e discontinuità

Le onde sismiche e la terra

Le onde sismiche sono un ottimo strumento di indagine per uno studio diretto dei materiali che compongono l'interno della terra e della loro distribuzione in profondità.

Le onde P e S variano la loro velocità in base alla temperatura, alla pressione, alla composizione chimica, alla densità e alle proprietà meccaniche del tipo di roccia attraversato.

Riflessioni e rifrazioni sismiche

Dall'ipocentro del terremoto le onde sismiche si propagano in tutte le direzioni. Quando incontrano una superficie di discontinuità subiscono riflessioni o rifrazioni. Le superfici di discontinuità segnano in modo molto netto il passaggio da un o stato di aggregazione ad un altro.

Le superfici di discontinuità sono involucri sferici che separano strati rocciosi concentrici con diverse caratteristiche chimico-fisiche.

Sono facilmente individuabili grazie ai fenomeni di rifrazione e riflessione delle onde sismiche.

Scoperte di Mohorovicic e Gutenberg

Agli inizi del '900 Mohorovicic studiò i sismogrammi relativi al terremoto di Zagabria del 1906, mettendo in relazione i tempi di arrivo delle onde sismiche a diverse distanze dall'epicentro. I sismografi più lontani registravano onde P e S più veloci di quelle registrate dai sismografi prossimi all'epicentro.

Ipotizzò che vi fosse uno strato superficiale, la costa terrestre, in cui le onde sismiche si propagano più lentamente, e uno strato più profondo, chiamato mantello, in cui si propagano più velocemente.

La superficie di discontinuità così individuata venne chiamata Moho.

Nel 1924 Gutenberg individuò una discontinuità più profonda messa in evidenza dalle zone d'ombra delle onde P e S. Infatti non si registrano onde P in una fascia compresa tra 103° e 143° dall'epicentro e non vengono più rilevate onde S a partire da 103° in poi.

La zona d'ombra delle onde P può essere spiegata ammettendo che le onde che non raggiungono la superficie di discontinuità siano fortemente deviate verso la superficie terrestre, mentre le onde che incontrano la superficie di discontinuità sono deviate verso i centro della terra riemergendo solo a partire da una distanza di 16000 km dall'epicentro.

La discontinuità di Gutenberg separa il mantello dal nucleo ed è interpretata sia come limite chimico (separa materia diversi così come la Moho) sia come limite fisico (separa uno strato solido da uno liquido).

Lehmann e la discontinuità del nucleo

Negli anni '60 la sismologa Lehmann scoprì un'altra discontinuità che separa il nucleo esterno (liquido) da quello interno (solido).

Ci si rese conto che all'interno del nucleo si registravano fenomeni di riflessione e di rifrazione delle onde p causati dal passaggio di un materiale più denso ed elastico che probabilmente indicava la presenza di un nucleo interno solido. Inoltre le onde P aumentavano la loro velocità attraversando la discontinuità.

Composizione della crosta terrestre

La diversa profondità a cui si trova la moho ha permesso di distinguere la crosta in due tipi:

La crosta continentale ha una composizione eterogenea e non ben definita. Si pensa che possa essere suddivisa in due strati:

• Uno strato superficiale formato da graniti e rocce metamorfiche acide che può essere ricoperto da rocce sedimentarie

• Uno strato sottostante di composizione dubbia che potrebbe essere composta da granuliti e granato

La crosta oceanica ha una composizione più omogenea infatti è composta da:

• Uno strato superficiale di sedimenti oceanici

• Uno strato di basalti

• Uno strato di gabbri

Struttura del mantello e del nucleo

Il mantello è lo strato di maggiore spessore all'interno del nostro pianeta, è composto da peridotiti e rocce basiche.

Al suo interno si individuano alcune discontinuità minori che vengono considerate adattamenti del reticolo cristallino dell'olivina in strutture più semplici, dense e compatte.

Il mantello si divide in superiore e inferiore. La parte superiore è a diretto contatto con la Moho.

Le onde P aumentano la loro velocità con la profondità arrivando a 13 km/s vicino alla discontinuità di Gutenberg.

Il nucleo è suddiviso in nucleo esterno(liquido) e nucleo interno(solido). È costituito da una lega di ferro e nickel e poi quantità minori di zolfo e magnesio.

La composizione del nucleo è stata ipotizzata a partire dall'analisi delle meteoriti.

Astenosfera e litosfera

L'astenosfera è la parte in cui le onde P e S riducono la loro velocità ed è situata tra i 70 km e i 200km di profondità. Il rallentamento è dovuto alla sottilissima pellicola che si crea grazie al materiale parzialmente fuso che si avvolge intorno ai minerali.

Lo strato sovrastante, con comportamento rigido ed elastico, comprende la crosta e parte del mantello superiore, viene chiamato litosfera.

La parte sottostante l'astenosfera è detta mesosfera e si estende fino alla discontinuità di Gutenberg.

Isostasia e gradiente geotermico

La crosta terrestre è formata da blocchi di diversa altezza e densità che galleggiano sul mantello.

Più il blocco emerge più le sue radici sono in profondità riducendo il limite crosta-mantello determinato dalla Moho che quindi sarà più profonda.

I blocchi che sono soggetti a erosione tendono a diminuire il loro spessore e quindi si ristabilisce l'equilibrio se il blocco si muove verso l'alto, innalzando anche le proprie radici.

L'isostasia è la tendenza dei blocchi crostali a stabilire una condizione di equilibrio gravitazionale.

Si tratta di un equilibrio dinamico che si raggiunge con movimenti verticali e frequenti variazioni della Moho.

Si definisce gradiente geotermico l'aumento di temperatura in funzione della profondità.

Il grado geotermico corrisponde all'intervallo di profondità per il quale si registra un aumento di temperatura di 1°C. In media corrisponde ai 33m.

Se si seguisse questo ragionamento si arriverebbe a dire che mantello e nucleo sono completamente fusi cosa non vera.

La curva che mette in relazione la profondità e la temperatura interna della Terra viene chiamata geoterma.

Flusso di calore e geoterma

Il flusso di calore è la quantità di calore che viene emessa dalla Terra per unità di superficie in una unità di tempo. L'unità di misura è HFU ovvero unità di flusso di calore.

La maggior parte del calore interno del nostro pianeta deriva dall'energia che si è immagazzinata durante la sua formazione.

Nei primi stadi le temperature raggiunsero i 1000° provocando la fusione di ferro che si concentrò nelle parti più interne formando il nucleo. L'aumento della temperatura ha inoltre permesso ai materiali più leggeri come i silicati di risalire.

Oggi si ritiene che la causa del flusso termico sia il decadimento di elementi radioattivi all'interno della crosta.

Propagazione del calore

La propagazione del calore avviene secondo 3 modalità:

• La conduzione che prevede il passaggio di energia termica da un corpo più caldo a uno più freddo che vengono posti a contatto fra loro. Nei solidi la conduzione è massima nonostante esse sono scarse conduttrici.

• Avviene anche per radiazione ovvero per emissione di radiazioni luminose

• La convezione è caratteristica dei fluidi.

A diretto contatto con il calore le cellule diventano più leggere e salgono verso l'alto e quelle più fredde scendono avviando un ciclo convettivo con formazione di celle convettive.

Campo magnetico terrestre

L'asse magnetico terrestre non corrisponde all'asse di rotazione e quindi i poli magnetici non coincidono con i poli geografici. L'ago della bussola si dispone sempre tangente alle linee di forza del campo magnetico formando un angolo con la direzione del Nord geografico, chiamato angolo di declinazione magnetica.

Esso aumenta alle alte latitudini e il suo valore sarebbe 0 se i poli geografici e quelli magnetici coincidessero.