Appunti di Geologia con laboratorio

GEOLOGIA

Il termine geologia si usa per indicare quella branca delle scienze della terra che studia tutti gli aspetti

del nostro pianeta, la sua storia, la sua composizione, la sua struttura interna e le caratteristiche della

sua superficie. La geologia è strettamente connessa con altre aree delle scienze della terra fra le quali:

oceanografia, meteorologia, ecologia; geofisica, geochimica e geobiologia sono sottocampi della

geologia. è una scienza planetaria, per esaminare l'intero globo impiega mezzi di rilevamento a

distanza ad esempio satelliti, analizzando la gran mole di dati inviati tramite questi modelli ottengono

carte. una testimonianza geologica è un'informazione racchiusa nelle rocce che si sono formate in

diversi momenti della storia della terra, le testimonianze geologiche ci dicono che i processi in atto

oggi sulla terra hanno agito più o meno nello stesso modo anche nel passato geologico questo concetto

è noto come principio dell'unimorfismo. La terra non è perfettamente sferica a causa del movimento

di rotazione intorno al proprio asse; infatti, il pianeta è leggermente rigonfio all’equatore e schiacciato

ai poli per di più la curvatura della superficie terrestre è interrotta da montagne e valli oltre che ad

altre ondulazioni. I continenti hanno un'altitudine media di 820 m sul livello medio del mare, i bacini

oceanici hanno profondità media di 3800 m Il fisico tedesco Emil Wiechert fu il primo a proporre alla

fine del diciannovesimo secolo l'ipotesi che l'interno della terra fosse costituito di diversi involucri.

Nel 1896 propose un'importante ipotesi, in un certo momento del passato della terra la maggior parte

del ferro e del nichel poteva essere migrata verso l'interno del pianeta grazie alla forza di gravità,

questo movimento avrebbe creato un nucleo denso circondato da un involucro di rocce ricche di

silicati che denominò mantello. Nel 1906 il sismologo britannico Robert Oldham dimostrò che le

onde di taglio che non si propagano nei liquidi non si propagavano attraverso il nucleo, dunque,

almeno nella sua parte più esterna il nucleo era liquido. ad una profondità di circa 40 km al di sotto

del sub-continente europeo si trova la discontinuità di Moho che separa una crosta composta di silicati

a bassa densità ricchi di alluminio e potassio da un mantello costituito di silicati a maggior densità è

a più alto contenuto di magnesio e ferro. Come il limite nucleo-mantello anche la moho è una

discontinuità globale, si dimostrò che questa discontinuità è più superficiale al di sotto degli oceani è

più profonda al di sotto dei continenti in media lo spessore della crosta oceanica è 7 km quella

continentale è quasi 40km. le rocce della crosta oceanica contengono più ferro sono quindi più dense

delle rocce continentali. Poiché la crosta continentale è più spessa e meno densa della crosta oceanica

i continenti si elevano maggiormente galleggiando sul mantello più denso, le rocce si comportano

come solidi resistenti se si considerano brevi periodi di tempo. Ad una profondità superiore a circa

100 km il mantello ha poca forza e considerando periodi molto lunghi fluisce per adattarsi a sostenere

il peso dei continenti e delle montagne. il mantello è solido e il nucleo esterno è liquido; il limite

nucleo-mantello riflette le onde sismiche. il nucleo interno è una sfera metallica solida contenuta nel

nucleo esterno liquido, il nucleo interno è più caldo di quell'esterno, ma il “congelamento” del nucleo

interno non è legato alle temperature più basse ma piuttosto alle elevate pressioni esistenti al centro

della terra. il mantello si può dividere in mantello superiore e inferiore che sono separati da una zona

di transizione in corrispondenza della quale la densità delle rocce aumenta per gradi, questo aumento

della densità non dipende da variazioni della composizione chimica delle rocce bensì dalla

compattezza dei minerali. il nucleo non è costituito solo da ferro e nichel dato che ha una densità

inferiore a quella di questi due minerali bensì il 10% della massa del nucleo esterno è costituito da

elementi leggeri quali ossigeno e zolfo. il 90% della massa della terra costituito da:

• ferro ossigeno silicio e magnesio

Il motore interno della terra è alimentato dall'energia termica intrappolata all'interno del pianeta

durante la sua violenta origine e da quella continuamente generata dal decadimento degli elementi

radioattivi presenti in profondità. Il calore interno attiva movimenti nel mantello e nel nucleo

fornendo energia per la fusione delle rocce che fa muovere i continenti e innalza le montagne. il

motore esterno della terra è alimentato invece dall'energia solare che giunge al globo e viene

trasformata in calore questo calore fornisce energia all'atmosfera e agli oceani ed è responsabile del

tempo atmosferico e dei climi. l'insieme delle diverse parti del nostro pianeta e delle loro reciproche

interazioni costituisce il sistema terra. il sistema terra è un sistema aperto poiché scambia massa ed

energia condivisa del cosmo. La radiazione solare fornisce energia necessaria per la degradazione

meteorica e l'erosione del rilievo terrestre ma anche quella necessaria per la crescita della vegetazione

che rappresenta il nutrimento di quasi tutti gli organismi viventi. le ripetute collisioni tra la terra e

altri corpi solidi hanno rappresentato un importante processo responsabile dell'accrescimento della

massa dei pianeti e della formazione della luna. oggi gli scambi di massa tra la terra e lo spazio sono

relativamente ridotti si dicono geosistemi quei sottosistemi specializzati che producono tipi specifici

di attività come i cambiamenti climatici o la nascita delle montagne. Quando si parla di tempo

atmosferico ci si riferisce alla temperatura dell'aria, alle precipitazioni, alla copertura nuvolosa ed

eventi che si registrano in un certo momento in un determinato luogo della superficie terrestre. il

clima è l'andamento dei cicli del tempo atmosferico e si ricava dai valori della temperatura e delle

altre variabili atmosferiche. il geosistema clima comprende tutte le caratteristiche e le interazioni delle

diverse componenti del sistema terra che concorrono a determinare il clima su scala globale e le sue

variazioni nel tempo. la parte più esterna della terra si comporta come una palla di cera calda il

raffreddamento della parte superficiale forma l’involucro più esterno molto resistente: la litosfera,

che poggia sull’astenosfera che è calda e meno resistente. la litosfera comprende la crosta e la parte

sommitale del mantello fino a una profondità media di circa 100 km, la astenosfera è la porzione del

mantello spessa circa 300 km e si trova immediatamente sotto nella litosfera. quando viene sottoposta

all'azione di una forza la litosfera tende a comportarsi come un involucro rigido e fragile mentre la

sottostante astenosfera fluisce come un solido plasmabile. secondo la teoria della tettonica a placche

la litosfera non è uno strato continuo ma è suddivisa in una dozzina di grandi placche rigide e si

spostano presso la superficie della terra. ciascuna placca litosferica si comporta come un'unità distinta

che galleggia sull’astenosfera anch'essa in movimento le forze che fanno muovere le placche derivano

dal mantello. Attivato dal calore interno della terra il materiale caldo del mantello risale dove le

placche si separano formando nuova litosfera; a mano a mano che si allontana da questo margine

divergente la litosfera si raffredda e diviene più rigida. Dove le placche convergono la litosfera

sprofonda per gravità nell'astenosfera riportando il materiale all'interno del mantello. I movimenti

convettivi del mantello e il sovrastante mosaico di placche litosferiche costituiscono il geosistema

tettonica delle placche. il terzo geosistema globale coinvolge le interazioni che producono un campo

magnetico nel nucleo interno. quando si formano le rocce questi si magnetizzano secondo il campo

magnetico del momento e ciò consente agli geologi di studiare il comportamento del campo

magnetico del passato e utilizzarlo per decifrare le testimonianze geologiche. gli scienziati sono

arrivati a concludere che il campo magnetico è generato e mantenuto dai moti convettivi nel nucleo

esterno, la convenzione nel nucleo esterno crea un campo magnetico poiché costituito principalmente

di ferro e i movimenti convettivi sono un milione di volte più veloci nel nucleo esterno di quanto lo

siano nel mantello solido. la biosfera è una componente molto attiva del sottosistema clima. oggi le

rocce più antiche che si rinvengono sulla superficie terrestre hanno più di quattro miliardi di anni

quelle che risalgono a 3.8 miliardi di anni fa presentano tracce riferibili all'erosione prodotta dalle

acque testimoniando così l'esistenza di un idrosfera e il funzionamento di un sistema clima non troppo

diverso da quello attuale, le rocce poco più giovani 3.5 miliardi di anni hanno registrato un campo

magnetico simile a quello del campo magnetico attuale; nelle rocce risalenti a tre miliardi e mezzo di

anni fa sono stati rinvenuti fossili di batteri primitivi. tra i due e gli un miliardo di anni fa comparvero

forme di vita più complesse con organismi pluricellulari. In un periodo iniziato 542 milioni di anni fa

durato forse meno di 10 milioni di anni si affermarono 8 phyla del Regno animale. Alla fine del 1800

il geologo austriaco Eduard Suess fece combaciare alcune tessere del puzzle dei continenti e ipotizzò

l'esistenza nel passato di un continente gigantesco da lui chiamato gondwanaland in cui sarebbero

stati raggruppati i nuclei degli attuali continenti meridionali. nel 1915 Alfred Wegner scrisse un libro

sulla frammentazione e lo spostamento dei continenti sottolineando la notevole somiglianza tra rocce,

strutture geologiche e fossili sui due lati opposti dell'atlantico. ipotizzò l'esistenza nel passato di un

supercontinente chiamato Pangea che successivamente si sarebbe frammentato nei continenti e

subcontinenti oggi conosciuti. Le prove geologiche non convincevano gli scettici che ritenevano la

deriva dei continenti fisicamente impossibili dato che nessuno aveva indicato ancora una forza

motrice in grado di frammentare la Pangea e allontanare reciprocamente i continenti. Gli scienziati

compresero che i movimenti convettivi del mantello terrestre potevano spingere e trascinare i

continenti mentre si formava nuova crosta oceanica mediante il processo di espansione dei fondali

oceanici. Arthur Holmes ipotizzò che le correnti convettive hanno separato trascinando le due metà

del continente originario con la conseguente formazione di catene montuose dove le correnti sono

discendenti e lo sviluppo di fondo oceanico nello spazio apertosi tra le due parti. Maurice Ewing

dimostrò che il fondo dell'oceano Atlantico è costituito di basalto giovane e non di granito vecchio

come alcuni geologi avevano sostenuto in precedenza. La rappresentazione cartografica della dorsale

medio atlantica portò alla scoperta di una fossa tettonica, la Rift Valley che corre lungo l'asse della

dorsale. poco dopo si scoprì poi che quasi tutti i terremoti che avvengono nell'oceano Atlantico sono

localizzati in corrispondenza di questa Rift Valley, dunque, era una struttura tettonicamente attiva. di

seguito furono trovate anche nell’oceano Pacifico, nell’oceano Indiano e altre dorsali oceaniche

Secondo la teoria della tettonica delle placche la litosfera rigida non costituisce un guscio continuo

ma è costituita da un mosaico di placche rigide che si muovono una rispetto all'altra, ciascuna si

muove come un'unita rigida e distinta scivolando sull'astenosfera. Alcune placche sono

contraddistinte col nome del continente o subcontinente che contengono. Esistono tre principali tipi

di margini di placca tutti definiti in funzione del movimento relativo delle placche:

• in corrispondenza di margini divergenti le placche si separano l'una dall'altra e si

forma nuova litosfera.

• In corrispondenza dei margini convergenti le placche si avvicinano e una delle due

viene riciclata nel mantello

• in corrispondenza di margini trasformi le placche scorrono orizzontalmente l'una

rispetto all'altra

• Poiché più leggera la crosta continentale non viene facilmente riciclata nel mantello come

quella oceanica

• poiché la crosta continentale più debole i margini di placca nei quali essa è coinvolta tendono

a essere meno netti, più larghi e più complicati di quelli che coinvolgono le placche oceaniche.

I margini divergenti sono quelli in corrispondenza dei quali le placche si allontanano e si presentano

come stretti solchi. Sul fondo oceanico il margine tra placche in allontanamento l'una dall'altra e

contrassegnata da una dorsale oceanica che presenta vulcanismo attivo, terremoti e sprofondamenti

causati da forze distintive generate dall'allontanamento reciproco delle due placche mentre i fondi

oceanici si espandono il materiale roccioso fuso e caldissimo, il magma fuoriesce dalla Rift Valley

formando una nuova crosta oceanica. l’Islanda rappresenta l'unico segmento emerso della dorsale e

medio-atlantica. Su alcuni continenti si possono osservare gli stadi iniziali della separazione tra

placche come nella grande Rift Valley dell'africa orientale caratterizzati da attività vulcanica e

terremoti che si distribuiscono su un'area più ampia di quella occupata nei centri di espansione. in

aree oceaniche il Mar Rosso il Golfo della California sono Rift in una fase più avanzata di evoluzione.

Talvolta la formazione di sistemi di grandi fratture continentali può rallentarsi o arrestarsi prima che

il continente si divida in due e si apre un nuovo bacino oceanico. le placche ricoprono il globo,

pertanto, se si separano in una zona devono convergere da qualche altra parte per mantenere inalterata

la dimensione della terra. dove le placche si incontrano si originano i margini convergenti che per la

grande varietà di eventi geologici derivanti da questa convergenza sono i più complessi tra i tipi di

margini riconosciuti. nella tettonica delle placche se le placche coinvolte sono entrambe costituite di

litosfera oceanica l'una discende al di sotto dell'altra con un processo di subduzione la litosfera

oceanica della placca in subduzione sprofonda nell'astenosfera e viene riciclata nel sistema convettivo

del mantello, questa incurvatura verso il basso produce una lunga e stretta fossa oceanica man mano

che la placca litosferica fredda discende in profondità viene sottoposta a pressioni crescenti, l'acqua

intrappolata nelle rocce viene spremuta fuori e risale attraverso l’astenosfera sovrastante questi fluidi

causano la fusione parziale delle rocce del mantello e il magma che si forma sale a sua volta fino a

traboccare sul fondo oceanico dando origine a una catena vulcanica, cioè un arco insulare. se una

delle due placche convergenti trasporta lungo il suo margine un continente nel momento della

collisione essa sale e scorre sopra la placca oceanica poiché la litosfera continentale più leggera. il

margine continentale viene profondamente deformato e sollevato fino a costituire una catena

montuosa. le enormi forze di convergenze e subduzione generano terremoti. lungo la zona di

subduzione l'acqua imprigionata nella placca oceanica provoca la fusione parziale del mantello e la

conseguente risalita dei magmi che alimenta una serie di vulcani nella catena montuosa. Quando

vengono a contatto due continenti il tipo di subduzione porta a processi di orogenesi. In

corrispondenza di alcuni margini le placche scivolano semplicemente l’uno a fianco all’altra e la

litosfera non viene né creata né distrutta. tali margini detti conservativi coincidono con faglie

trasformi, fratture lungo le quali si ha lo spostamento orizzontale reciproco di due blocchi adiacenti;

quindi, faglie trasformi si rinvengono tipicamente lungo le dorsali oceaniche. ogni placca è delimitata

da qualche combinazione dei tre margini descritti: divergenti, convergenti, o trasformi.

la forza del campo geomagnetico locale varia secondo schemi regolari a valori alti e valori bassi.

secondo le fasce di anomalie magnetiche esse testimoniano che il campo magnetico terrestre non

rimane costante nel tempo. il fenomeno della magnetizzazione termoresiduale è il fenomeno per cui

in varie colate laviche si identificano rocce con diverse orientazioni magnetiche. grazie al

ritrovamento di queste rocce con vari orientazioni magnetiche i geologi hanno ricostruito la scala

paleomagnetica degli ultimi 200 milioni di anni. i periodi principali caratterizzati da campo

geomagnetico normale o inverso vengono detti croni, questi sembrano avere durata dell'ordine di

500.000 anni. ai croni principali sono sovrapposte inversioni transitorie dette subcroni che hanno

durata di 200.000 anni. quando una nave oceanografica si trova al di sopra di rocce magnetizzate in

direzione normale i suoi strumenti registrano un'intensità totale del campo geomagnetico locale più

forte invece quando si trovava al di sopra di rocce magnetizzate nella direzione inversa si registrava

un campo geomagnetico locale di minore intensità, ovvero un'anomalia magnetica negativa. per

calcolare la velocità a cui si muovono le placche si utilizza il tempo delle inversioni magnetiche e la

distanza a cui si trovano le rocce di diversa orientazione magnetica ottenendo la velocità relativa delle

placche.

i sedimenti oceanici sono costituiti da particelle fini che decantano nelle acque oceaniche, siano esse

polveri atmosferiche o sostanze organiche derivanti da organismi marini animali o vegetali e che

iniziano ad accumularsi sulla nuova crosta oceanica appena formata, pertanto l'età dei sedimenti più

antichi presenti in una carota, cioè quelli posti subito al di sopra della cr