Struttura e dinamica della Terra: un viaggio nel suo cuore profondo

Misurazione della Terra

La misura precisa delle dimensioni della Terra, ha permesso di calcolarne il volume che è pari a 1,083 X 10^21 m^3; le leggi sull’attrazione gravitazionale, inoltre, hanno permesso di determinare la massa della Terra che equivale a 5,976 X 10^24 Kg. Il rapporto volume massa ci permette di ricavare la densità media della Terra, 5,52 g/cm^3. Questo risultato ci consente inoltre di arrivare a una conclusione sull’interno della Terra. Importante è anche lo studio dei terremoti grazie al quale si è giunti a riconoscere che il nostro pianeta presenta una struttura a involucri concentrici di diversa natura e spessore. Si riconoscono: una sottile crosta leggera che ricopre lo strato sottostante; uno spesso mantello roccioso più denso della crosta che avvolge a sua volta il guscio più interno, un grosso nucleo molto denso e metallico che si divide in nucleo esterno e nucleo interno.

Struttura della crosta terrestre

La crosta è la parte più esterna del pianeta, è rigida e sottile il cui spessore varia da una media di 35 Km sotto i continenti a una media di 6 Km sotto i fondi oceanici, la sua composizione è eterogenea. La sua densità varia da 2,7 g/cm^3 per le rocce granitoidi (rocce magmatiche ricche di silice) a circa 3 g/cm^3 per le rocce basiche che costituiscono i vari fondi oceanici. Bisogna sottolineare che la base della crosta è indicata da una brusca discontinuità sismica, chiamata superficie di Moho.

Caratteristiche del mantello

Il mantello costituisce l’82% in volume della Terra e si estende dalla Moho sino a circa 2900 Km di profondità dove è presente la discontinuità sismica di Gutenberg. Le rocce del mantello presentano nella loro complessità una notevole rigidità, cioè resistono a torsioni e deformazioni relativamente modeste, sino a che non si rompono bruscamente. I dati sismici hanno messo in evidenza che in profondità si trova l’astenosfera, interpretata come una zona in cui il materiale del mantello è parzialmente fuso. L’insieme della crosta e del mantello fino all’astenosfera viene definita litosfera. Per poter risalire alla natura delle rocce del mantello sono state messe a confronto le velocità di propagazione entro il mantello di onde meccaniche con le analoghe velocità determinate in laboratorio per tutta una serie di materiali. Grazie a questa analisi si è potuto capire che i materiali il cui comportamento si avvicina di più a quello del mantello superiore sono i peridotiti, rocce ultrabasiche formate quasi esclusivamente da olivina e pirosseni.

Nucleo terrestre e flusso termico

La discontinuità sismica di Gutenberg segna il passaggio al nucleo della Terra che, con un raggio di circa 3470 Km, comprende il 16% del volume della Terra. La pressione aumenta con la profondità, da 1400 kbar fino a oltre 3600 kbar; la densità aumenta bruscamente in corrispondenza della discontinuità di Gutenberg e continua ad aumentare fino al centro della Terra. I dati sismici indicano che il materiale della parte più esterna del nucleo ha le caratteristiche di un fluido, passando poi a un nucleo solido, che rimane tale sino al centro della Terra.

Il flusso termico terrestre, ovvero la quantità di calore emessa nell’unità di tempo per ogni unità di superficie, è molto basso. Tale flusso dal punto di vista energetico è il più imponente tra i fenomeno terrestri, in quanto la quantità di energia che viene liberata per tale via in un anno è 50 volte maggiore di quella liberata da tutti i terremoti nello stesso arco di tempo: più specificatamente questi fenomeni sono legati, direttamente e indirettamente, al flusso di calore. Tra i materiali che costituiscono la Terra sono presenti isotopi radioattivi (nuclei di atoni di un elemento che contengono lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni ), Questi isotopi sono instabili che con il passare del tempo si modificano spontaneamente attraverso l’emissione di particelle nucleari e si trasformano in isotopi di elementi diversi. L’energia cinetica delle particelle emesse dagli isotopi radioattivi si trasforma nel calore che fluisce continuamente dalla superficie della Terra.

Temperatura e gradiente geotermico

La temperatura all’interno della crosta terrestre aumenta in media circa 30°C ogni Km di profondità (gradiente geotermico). Questo gradiente non rimane costante. Gli studiosi hanno costruito la curva dell’andamento della temperatura con la profondità, chiamata geoterma, basandosi sulla struttura interna della Terra. I dati sismici ci fanno notare che il mantello è solido, in quanto si ritiene che sia formato da silicati di ferro,magnesio e ossidi. La sua temperatura di fusione deve essere inferiore alla temperatura di fusione dei silicati e degli ossidi. Nel nucleo esterno la temperatura deve essere dappertutto superiore alla temperatura di fusione della lega metallica ipotizzata, mentre nel nucleo interno non deve superare tale temperatura. Studiare il flusso termico e la temperatura della crosta sono di massima importanza per lo sfruttamento dell’energia geotermica trasformabile in energia elettrica.

Differenze tra crosta continentale e oceanica

Lo spessore della crosta è indicato dalla profondità del Moho, che segna l’inizio del mantello. La crosta continentale è ovunque più sessa di quella oceanica. La differenza principale tra queste due è che il livello medio della superficie della crosta continentale è di 4000 metri maggiore di quello della crosta oceanica.

Nella crosta continentale sono presenti rocce di ogni età. La crosta oceanica presenta una struttura a strati molto regolare partendo dall’alto possiamo riconoscere: un discreto spessore di sedimenti poco litificanti, ovvero non ancora compatti e induriti; un considerevole spessore di basalto; uno strato di gabbro. La Moho segna il passaggio alle rocce ultrabasiche (peridotiti ) del mantello.

Composizione della crosta continentale

La crosta continentale presenta una composizione eterogenea, nella quale sono presenti rocce sedimentarie, magmatiche e metamorfiche. La composizione media della crosta superiore è intermedia tra quelle della granodiorite e della diorite; invece nella crosta inferiore compaiono le granuliti a granati, rocce metamorfiche di alta temperatura che si formano in assenza o scarsezza di acqua.

Evoluzione della crosta terrestre

La crosta continentale anche se composta da rocce antichissime non è presente dall’inizio della storia della Terra, essa ha avuto una complessa evoluzione detto orogenesi quello che ha portato alla formazione di grandi catene montuose. La ricostruzione della storia della Terra mostra che, quando una fascia di crosta ha subito un’orogenesi, con il tempo è diventata un lembo di crosta continentale stabile. Tutte le vaste aree continentali si presentano oggi come un mosaico di aree cratoniche e di fasce orogenetiche.

Cratoni e fasce orogenetiche

Le prime chiamate anche cratoni sono le parti più antiche che appaiono come ampie pianure costituite da ammassi di rocce ignee e metamorfiche (scudi), in parte ricoperte da rocce sedimentarie di età più recente (tavolati). Le aree cratoniche sono formate da resti di catene montuose molto antiche, stabili ovvero che non sono stati più deformati almeno nell’ultimo mezzo miliardo di anni.

Le fasce orogenetiche (orogeni) sono quelle in cui l’orogenesi si è verificata in tempi meno antichi: negli orogeni più recenti il processo non si è ancora concluso e la crosta in cui si è manifestato non ha ancora raggiunto la stabilità delle aree cratoniche. Cratoni e orogeni sono strutture differenti,ma strettamente collegate: gli scudi presentano tracce di orogenesi antichissime e anche se sono stabili da lungo tempo non sono inerti: prima o poi qualche loro settore viene riattivato.