Appunti di Geologia

Geologia, prof. Gianotti e Bertok

Teorie sulla struttura della Terra

- Greci: teoria della Terra cava -> cavità non per forza calde; - De rerum natura -> Terra piena di caverne che soffiano i venti; - Dante -> inferi, caldi; - Illuministi: teoria della Terra cava rigettata durante l'Illuminismo; due teorie:

• Fluidisti: nucleo fluido e un mantello solido
• Solidisti: tutto allo stato solido, anche il nucleo

Indagini dell'interno terrestre

Raggio medio = 6367 Km - Indagini dirette -> possiamo toccare e vedere direttamente l'oggetto di indagine (rocce) con rilievi geo-logici, carotaggi, analisi di laboratorio, e limitandosi all'indagine di solo la parte più superficiale della cro-sta terrestre. - Indagini indirette -> geofisiche

Indagini dirette

Indagini dirette: studio degli affioramenti. Rilevamento di terreno: si svolge sulla superficie terrestre, e permette di studiare rocce che affiorano in superficie (dunque visibili e tangibili). Studio dell'affioramento = area in cui una roccia (o un deposito della copertura quaternaria) è esposta e ben visibile, e affiora dalla vegetazione che ricopre il terreno. Si possono osservare tutti i caratteri litologici di una roccia, come tessitura, struttura, composizione petrografico-mineralogica, ecc;

Subaffioramento = pessimo affioramento, piccolo e/o molto discontinuo e sporto o semisepolto; di solito non si riesce a capire la struttura (stratificato o no), ma la tessitura. Quindi si scava e si pulisce il sub-affioramento e si ottiene così un affioramento. L'affioramento può essere molto piccolo (es: 1m x 1m) o anche molto grandi (es: parete rocciosa esposta per centinaia di metri in lunghezza e/o in altezza).

Le analisi dirette sono possibili in superficie: - Il dislivello fra la quota media delle terre emerse è di 820 m slm; - La profondità media degli oceani è di circa 4600 m.

In superficie affiorano rocce che grazie alla tettonica sono state sollevate e sopra agenti esogeni le hanno erose, in modo tale da poter vedere rocce provenienti anche dal mantello. Es: fra Ivrea e Castellamonte si hanno i Monti Pelati, costituiti da una parte di mantello superficiale in affioramento. Es: bassa Valsesia -> sezione della crosta continentale; affiora la crosta continentale profonda (superficiale fino a 15 Km, profonda fino a 30-45 Km). Durante la formazione delle Alpi (da 100 mln di anni fa fino ad oggi), si ebbe una deformazione tettonica, ma non una metamorfosi, quindi si ebbe una verticalizzazione dei tre strati crostali (= basculamento), quindi mantello, crosta continentale superficiale e crosta continentale profonda, dando origine a delle valli. Inoltre, in questa zona si hanno le tratte delle radici di un antico super-vulcano. Pertanto, risalire la bassa Valsesia è come scendere nelle profondità della crosta terrestre fino al mantello.

Carotaggi profondi

Grotte, miniere, carotaggi in mare, sia per estrarre petrolio che per motivi scientifici; lo scavo più profondo fu di oltre 12 Km, per capire la composizione della crosta terrestre. Oltre, si hanno condizioni di temperature e pressione che impediscono la continuazione degli scavi. Il carotaggio più profondo d'Italia è di 7810 Km. Le più profonde incisioni naturali sono dei canyon (Kali Gandaki canyon, con un dislivello di 5,5 Km, e Grand Canyon, 1600 m). Le grotte più profonde del mondo sono in Georgia nelle montagne del Caucaso; in Italia la grotta più profonda è la Grotta Roversi di 1360 m. Le miniere più profonde sono in Sud Africa, per l'oro; la più grande per volume è la Mponeng Gold Mine (quasi 4 Km di profondità). La più grande miniera del mondo per volume è invece la Bingham Canyon Mine, con una profondità di 1,2 Km ed un diametro di 4,5 Km alla sommità.

Indagini indirette

Possono essere di vario tipo:

• Di superficie, remote sensing (= immagini aeree e satellitari all'infrarosso, ecc)
• A debole profondità (metri, centinaia di metri): può essere sismica (attiva a riflessione e a rifrazione, terremoti artificiali), geoelettrica (conducibilità elettrica delle rocce -> dato da cui risaliamo al tipo di roccia), geomagnetiche, georadar
• A grandi profondità (crosta terrestre): tomografia sismica e riflessione e rifrazione (terremoti, sismica passiva), gravimetria
• Tutta la Terra: tomografia sismica (passiva, basata sui terremoti)

La sismica a riflessione viene usata nei primi 100 m (lavori di ingegneria) e fra i 5 ed i 100 Km (studi litosfera), che quindi sono due livelli separati. Fra i 5 Km ed i 100 Km si usa solo la sismica a riflessione e a rifrazione (ricerca petrolio).

Attività sismica

Principale metodo utilizzato per lo studio geologico. Terremoto = vibrazione più o meno forte della Terra prodotta da una rapida liberazione di energia meccanica in qualche punto al suo interno che si trasmette come onde attraverso l'ammasso roccioso. Tale energia si libera in seguito alla deformazione delle rocce quando viene superato il punto di rottura, e quindi le rocce si rompono lungo una faglia.

Del terremoto possiamo individuare:

• Ipocentro -> volume di rocce dal quale si libera l'energia accumulata. La liberazione di energia genera onde di volume che si propagano all'interno della Terra
• Epicentro -> area posta sulla verticale dell'ipocentro, che viene raggiunta dal fronte delle onde di volume e da cui si propagano le onde di superficie

I vari tipi di onde sono:

• Onde P (prime): più veloci - onde di volume
• Onde S (seconde): più lente - onde di volume

Onde P: longitudinali, di compressione -> le particelle oscillano avanti e indietro nella direzione della propagazione dell'onda stessa, variandone il volume; si possono propagare in ogni materiale a qualsiasi stato, ed hanno una velocità media di 6 Km/s, che varia a seconda del tipo di roccia.

Onde S: trasversali, di taglio -> le particelle compiono oscillazioni perpendicolari alla direzione di propagazione delle onde stesse e provocano un cambiamento della forma delle rocce; hanno velocità media di 3 Km/s e non sono in grado di propagarsi nei fluidi (es: nucleo esterno).

Le ultime registrate sono le onde di superficie, che provocano i danni causati appunto da un terremoto: Onde di Rayleigh: onde di superficie, usate anch'esse per studi geologici; le particelle compiono orbite ellittiche retro-grade in un piano verticale lungo la direzione di propagazione. Onde di Lowe: le particelle oscillano trasversalmente (su piano orizzontale) rispetto alla direzione di propagazione.

È possibile registrare le vibrazioni del suolo attraverso strumenti chiamati sismografi, che possono misurare i movimenti verticali, con una massa posizionata su una molla che oscillando su e giù traccia un grafico su un foglio, oppure i movimenti orizzontali, con una massa attaccata ad un cardine che oscilla a destra e sinistra e traccia un grafico su un foglio. Dall'ampiezza delle onde di superficie si calcola la magnitudo del terremoto, ovvero una misura della sua energia liberata. Per individuare l'epicentro di un terremoto occorre avere almeno 3 sismografi, in modo da trovarlo nell'intersezione delle tre zone.

Principali discontinuità sismiche

• Discontinuità di Mohorovic (MOHO, 1911) -> incremento di velocità di onde P ed S, separa la crosta (materiale meno denso) dal mantello (materiale più denso); si possono avere due tipo di Moho:
  • Sismica -> discontinuità rilevabile con la sismica ubicata al passaggio gabbri-peridotiti cumulitiche. Queste si formano dal frazionamento e precipitazione di olivina alla base di camere magmatiche a chimismo basaltico iniettate nella crosta
  • Petrologica -> è l'effettiva transizione crosta-mantello e coincide con il limite tra peridotiti cumulitiche (stratificate) e le peridotiti residuali del mantello, in prevalenza harzburgiti
• Discontinuità di Gutemberg (1914) -> drastica riduzione di velocità di onde P e scomparsa di onde S, separa il mantello dal nucleo esterno; è la più notevole. Alla base del mantello le onde P viaggiano a 13 Km/s per poi diminuire fino ad 8 Km/s, ed aumentando poi di nuovo, ma senza tornare di nuovo a 13 Km/s (velocità massima all'interno della Terra)
• Discontinuità di Lehmann (1936), 5155 Km di profondità -> brusco incremento delle onde P (passano da materiale liquido a solido) e ricomparsa di onde S. separa nucleo liquido da nucleo solido.

La crosta terrestre

• Involucro più superficiale della Terra
• Ha spessore massimo di 70 Km (sotto l'Himalaya -> sotto le catene montuose è sempre più profonda)
• Si trova sopra la discontinuità di Moho
• Onde sismiche P < 7,8 Km/s e S < 4,3 Km/s
• Divisa, per composizione, in crosta continentale ed oceanica

Croste a confronto

Essendo più spessa e meno densa, la crosta continentale affonda di più nel mantello e si eleva maggiormente della crosta oceanica.

Il mantello terrestre

Il mantello si estende in profondità sotto la crosta, tra la discontinuità di Moho (4-70 Km) e la discontinuità di Gutemberg (2900 Km). Costituisce l'84% del volume terrestre ed il 68% della massa (mentre il nucleo costituisce il 16% del volume della Terra ed il 31% della massa).

Composizione del mantello

Il mantello è costituito da peridotiti, rocce ultrafemiche (ovvero con meno del 45% di SiO₂). In particolare è costituito da peridotiti che sono lherzoliti, composti principalmente da olivina (monosilicati con atomi di ossigeno sparsi e tenuti insieme dai cationi) e pirosseni, ed in minor parte da granato, plagioclasio e spinello.

Le conoscenze della composizione del mantello sono possibili grazie a diverse tecniche:

• Guardando le meteoriti che cadono sulla Terra, di cui le più frequenti sono le condriti, aggregati di olivina e pirosseni, ma contengono anche ferro e nichel. Il nome arriva dal fatto che oltre ai cristalli hanno anche delle piccole sfere composte dallo stesso materiale di quella che le ingloba. Si considera questi come un insieme delle sostante primordiali dell'universo, dette quindi anche meteoriti indifferenziate -> hanno i materiali di nucleo e mantello non differenziati, ma mischiati fra loro
• Velocità delle onde sismiche
• Studi sperimentali su materiali stabili alle alte T e P del mantello -> rocce che vi si possono formare e rimanere tali
• Analisi dirette su rocce profonde ora affioranti (ofioliti subcontinentali), provenienti da settori sotto-crostali -> peridotiti delle successioni ofiolitiche. Il monte Musine è considerato un affioramento di mantello superiore, costituito di peridotiti. Si hanno anche basalti che contengono serpentiniti, che sono rocce metamorfiche derivanti da peridotiti del mantello.
• Analisi dirette su rocce profonde provenienti da settori sottocrostali. Si possono avere rocce che arrivano dal mantello in quanto contengono diamanti, che si possono formare a T e P del mantello. Il miscuglio di rocce all'interno del camino vulcanico formano le kimberliti.

Alcuni credono che il mantello superiore sia fatto di eclogiti, rocce sul rosso, anziché di peroditi. NB: all'interno del mantello vi sono delle discontinuità che si possono presentare in alcune zone e non in altre.

Mantello superiore/litosferico

Si trova subito sotto la Moho, la sua base arriva fino a 100 Km, ma è una discontinuità molto difficile da seguire. Sotto i continenti sembra arrivare fino a 200 Km di profondità, dove inizia la zona a basse velocità. Insieme alla crosta sovrastante forma la litosfera (usata in contrapposizione all'astenosfera). Qui le onde sismiche aumentano bruscamente la velocità.

Zona a bassa velocità

Molto importante, dove le peridotiti fondono formando in parte dei magmi che sono connessi alla roccia stessa e non formano grossi raggruppamenti di magmi. Sotto i continenti è mal definita dalle onde sismiche, ma dovrebbe essere sotto i 200 Km. Qui le onde sismiche P e S (soprattutto le S) diminuiscono, spiegabile appunto con la fusione della peridotite (1-10%). Essendo la zona più cedevole qui avviene lo scorrimento delle placche. Sotto la zona a bassa velocità le onde S aumentano in quanto con la profondità aumenta la P, ma non la T (a causa dei moti convettivi, con c'è mescolamento e quindi non si ha aumento di T) -> una T troppo alta rallenterebbe le onde S.

Zona di transizione

Fra 400-650 Km, dopo cui si ha il mantello inferiore; qui la peridotite ha una struttura cubica compatta a spinello.

Passaggio di fase

A 660 Km, si ha un passaggio da una struttura a spinello ad una di ossido di nome peroskvite, che probabilmente costituisce tutto il mantello inferiore fino ad una profondità di 2900 Km.

Mantello inferiore

L'aumento delle onde qui è dato dall'aumento di P, ma essendo omogeneo vuol dire che si tratta della stessa roccia. È infatti molto omogeneo, con composizione associata a tre varietà di perovskite:

• Dall'olivina: (Mg,Fe)₂SiO₃
• Dai pirosseni: Al-(Mg,Fe)₂SiO₃
• Dai granati: CaSiO₃

Circolazione convettiva

Vi sono due modelli contrapposti:

1. Il mantello superiore e quello inferiore sono chimicamente omogenei pur cambiando le fasi; le celle convettive fatte di roccia che si muove e trasporta calore dal basso verso la crosta interessano tutto il mantello, rimescolando lo stesso magma che, quindi, deve avere STESSA composizione in tutto il mantello.
2. Il mantello inferiore ha una composizione chimica diversa da quello superiore, e quindi esistono due diversi livelli di celle convettive separati, uno nel mantello superiore ed uno nel mantello inferiore.

Litosfera ed astenosfera

Litosfera = prima parte rigida, forma le placche; comprende la crosta ed il mantello litosferico. Quindi le placche sono formate non da crosta, ma da litosfera. Con la crosta oceanica, la litosfera arriva fino a 100 Km di profondità, mentre con quella continentale arriva fino a circa 100-200 Km. Astenosfera = parte duttile, su cui scorrono le placche litosferiche; non si sa bene fino a che profondità arrivi. Mesosfera = parte del mantello superiore che si trova sotto l'astenosfera.

Discontinuità di Gutemberg

Si trova a 2890 Km di profondità, ed è la più importante, in quanto si ha il massimo cambiamento possibile, passando dal materiale solido del mantello profondo e quello liquido del nucleo esterno -> si passa da una roccia solida silicata ad una lega di ferro liquida, con aumento di densità di 4,5 g/cm³. A causa della perdita di rigidità, la velocità delle onde S si azzera (passa da 7,5 Km/s a nulla) e la velocità delle onde P scende di 5 Km/s (passa da 13 ad 8 Km/s).

Al limite mantello-nucleo, il calore per conduzione esce dal nucleo e fa aumentare di 1000°C le temperature della base del mantello. Ciò sembra produrre una fusione parziale (forse discontinua) alla base del mantello, come indiziato dal decremento del 10% della velocità delle onde sismiche. Si ipotizza che questo settore (di circa 300 km di spessore) potrebbe:

• Essere l'origine dei pennacchi di magma mantellico che risalgono in superficie a dar origine al vulcanesimo dei punti caldi sulla crosta oceanica (Hawaii) e continentale (Yellowstone)
• Essere considerato come possibile punto di arrivo dei materiali residuali della litosfera oceanica scesi in subduzione
• Ospitare "anticontinenti", lembi di materiale ferroso denso che si sposterebbero lateralmente avanti e indietro alla base del mantello al di sotto della crosta continentale

Nucleo

È la parte più interna del pianeta, e si estende da circa 2900 Km di profondità, diviso dal mantello dalla discontinuità di Gutemberg; ha dunque uno spessore di 3480 Km, che è quasi la metà del raggio terrestre (6371 Km). Anche se occupa solo il 16% del volume terrestre, rappresenta invece il 31% della massa in quanto è molto denso. Si divide in nucleo interno, solido.