Appunti di Principi di scienze della terra (Scienze della terra + Idrografia)

Parti della Terra

PRINCIPI DI SCIENZE DELLA TERRA

LITOSFERA

La Terra parte 1

1.1 Metodo scientifico

Il metodo scientifico consiste in un piano generale di ricerca, basato su osservazioni ed

esperimenti sistematici. La ricerca scientifica non è “routine” nelle osservazioni degli eventi

ma è raccogliere delle esperienze/risultati ottenuti anche da altri scienziati/e poi formulare

delle ipotesi che possano essere verificate per mezzo di ricerche concrete.

Ipotesi → tentativo di spiegare un insieme di dati raccolti

Teoria → insieme coerente di ipotesi in grado di spiegare alcuni aspetti della natura

(tutte le teorie possono essere rimesse in discussione)

Modello scientifico → conoscenze che scaturiscono da numerose ipotesi e teorie, sono

una precisa rappresentazione in cui operano i processi naturali o in cui si comportano i

sistemi naturali.

1.2 La geologia come scienza

Geologia → studio dell’origine delle rocce e dei fossili. Oggi branca delle Scienze della

Terra che studia tutti gli aspetti del nostro pianeta: storia, composizione, struttura interna e le

caratteristiche della superficie. E’ una “scienza all’aperto” ed è “planetaria”, esamina l’intero

globo.

Testimonianza geologica → informazione racchiusa nelle rocce che si sono formate in

diversi momenti della storia della Terra. Ci dicono che i processi in atto oggi sulla Terra

hanno agito più o meno nello stesso modo anche nel passato geologico (principio

dell’uniformismo o attualismo, Hutton).

Termini utilizzati:

-​ Densità ( ) : rapporto tra la massa (m) e il volume (v)

ρ

-​ Rigidità ( ) : capacità di un corpo di opporsi alla deformazione elastica provocata da

µ

una forza applicata. In geologia: proprietà di una roccia, allo stato cristallino, di

opporsi alle sollecitazioni tendenti a modificarne la forma. Modulo di compressibilità

(k) è l’aumento di densità provocato da una compressione. Definito come

l’incremento di pressione necessario a causare un relativo incremento di densità.

-​ Viscosità: la viscosità di un fluido si dice bassa se si muove velocemente (acqua).

Se un fluido si muove lentamente (miele) si dice che ha la sua viscosità alta.

1.3 Forma e dimensioni della Terra

Geodesia → branca che studia la forma e le dimensioni del nostro pianeta.

La Terra viene rappresentata (più o meno) come una sfera e suddivisa in strati

concentrici. Già gli antichi greci conoscevano e/o immaginavano che la Terra fosse sferica.

Nel III secolo a.C. Eratostene di Cirene (Libia) misurò la circonferenza della Terra:

Intorno al 250 a.C. un viaggiatore gli disse che: a mezzogiorno del primo giorno d’estate (21

giugno) un pozzo della città di Siene, circa 800 km a Sud di Alessandria, risultava

completamente illuminato dai raggi solari fino al suo fondo, e ciò perché il Sole era sulla

verticale del luogo.

Egli installò una pertica verticale nella sua città, e notò che a mezzogiorno questa produceva

un’ombra. Il Sole era talmente lontano che ipotizzò che i raggi fossero paralleli tra loro.

Eratostene dedusse che la superficie terrestre doveva essere curva. Egli sapeva che la

superficie curva perfetta è quella che appartiene a una sfera → ipotizzò che la Terra fosse

sferica. Calcolò che se le verticali dei due luoghi fossero state prolungate fino al centro della

Terra, esse si sarebbero intersecate con un angolo di 7°, circa 1/50 di 360°. Inoltre

conosceva la distanza tra Alessandria e Siene

= 50 × = 50 × 800 = 40000

Egli divise il valore da lui ottenuto per :

2π

= : 2π = 40000 : 6, 28 = 6370

IN REALTA’ LA TERRA NON E’ SFERICA

A causa della forza centrifuga dovuta alla sua rotazione presenta un rigonfiamento lungo la

fascia equatoriale (raggio equatoriale = 6378,2 km) e uno schiacciamento in

corrispondenza delle regioni polari (raggio Polare = 6356,8 km).

Inoltre la curvatura della superficie terrestre è interrotta da montagne e valli, oltre che da

altre ondulazioni. Queste irregolarità della topografia vengono misurate rispetto al livello del

mare.

La figura che descrive meglio il nostro pianeta è un Ellissoide di rotazione (sferoide

oblato). Si tratta di un solido regolare che si ottiene facendo ruotare un’ellisse attorno al suo

asse minore. L'ellissoide viene utilizzato per la creazione delle carte topografiche.

Ma il solido che descrive meglio la forma della Terra è il Geoide. Si tratta di un solido ideale

e irregolare (con zone rilevate in rosso e depressioni in blu) che ha una superficie sempre

perpendicolare ad un filo a piombo (cioè alla direzione della forza di gravità).

La forma irregolare dipende dalla variabilità e dalla distribuzione dei materiali (densità

e tipi di rocce) che costituiscono la Terra. Si definiscono anomalie positive del geoide (in

rosso - rilievi) e negativa (in blu - depressioni) zone dove abbiamo rispettivamente

eccessi e deficit di massa nell’interno della Terra.

Come si spiegano le anomalie?

Ipotesi Isostatica: Esiste uno “strato” della Terra formato da rocce diverse e con diversa

densità che “galleggia” su uno strato sottostante più denso. Le zone con eccesso di massa

all’interno della Terra (anomalie positive - es montagne) sono formate da rocce di minore

densità, e, inversamente, le zone con deficit di massa in superficie nelle zone oceaniche

sono formate da rocce più dense.

1.4 La scoperta di una Terra “a involucri”

Informazioni dirette di come è fatto l’interno della Terra le possiamo avere:

-​ Studiando i frammenti di roccia chiamati xenoliti (knénos, estraneo + lithos, pietra)

provenienti da profondità di qualche centinaio di km attraverso eruzioni vulcaniche

(camini kimberlitici).

-​ Studiando le sequenze ofiolitiche (ofioliti dal greco serpente e roccia). Si tratta di

unità rocciose sovrapposte una sopra l’altra provenienti da qualche km in profondità

e che determinati processi geologici hanno portato in superficie (Cipro sul

Mediterraneo, Oman sul Mar Arabico). Rappresentano porzioni di crosta Oceanica e

Mantello superiore.

Metodo indiretto: LE ONDE SISMICHE

Le onde sismiche si dividono in:

-​ Onde P (primarie). Sono le onde sismiche più veloci e fanno vibrare il suolo nella

stessa direzione in cui si propagano; al loro passaggio, le rocce si comprimono e

si dilatano continuamente.

-​ Onde S (secondarie) viaggiano più lentamente delle onde P ( ) e

∼ /1, 7

fanno vibrare le rocce perpendicolarmente rispetto alla loro direzione di

movimento.

Perché usare le onde?

Localizzano il terremoto, ma soprattutto perché quando avviene un terremoto in profondità

le rocce si fratturano e l’energia accumulata viene istantaneamente liberata sotto forma di

onde sismiche P e S che si propagano all’interno della Terra.

Inoltre, le onde sismiche attraversano la Terra variando la velocità e anche la loro

direzione a seconda delle proprietà (densità e rigidità) delle rocce o del materiale

attraversato. + 3/4µ µ

;

= =

ρ ρ

Poiché i liquidi hanno rigidità nulla, le onde S NON si propagano nei fluidi. Le onde P

invece continuano a propagarsi anche nei fluidi perché al numeratore del rapporto

che le definisce troviamo la compressibilità (k) del mezzo.

Le onde P scompaiono a dall’epicentro di un terremoto e riappaiono a per

∼ 100° ∼ 140°

l’effetto della diffrazione (zona ombra delle onde P). Le onde S scompaiono a dalla

∼ 100°

zona epicentro e non riappaiono più (zona d’ombra delle onde S).

La studiosa danese Inge Lehmann fu tra le prime che, osservando l’andamento delle onde

sismiche, ipotizzò che nel centro della Terra doveva esistere un nucleo diviso in una

parte esterna liquida e una parte interna solida. Il nucleo interno solido si sia formato

, da allora è in continua espansione per la sedimentazione gravitativa

∼ 2

alla sua sommità di ferro segregato dal nucleo liquido in raffreddamento.

Inoltre esiste una regione abbastanza superficiale della Terra, dai di profondità

∼ 100

, dove le onde sismiche rallentano. Questa zona è chiamata canale a bassa

∼ 400

velocità (Low Velocity Zone, LVZ).

Si è inoltre utilizzato: l’ipotesi astronomica di formazione della Terra e la distribuzione

del calore terrestre. La Terra si è formata in seguito all’aggregazione di piccoli corpi celesti

(planetesimi) che scontrandosi tra loro si fondevano e permettevano successivamente agli

elementi più densi (come ferro e nichel) di “sprofondare” verso l’interno del pianeta.

1.4.1 La densità della Terra

Il nostro pianeta è denso. Cavendish nel 1798 calcolò la densità media della Terra in circa

5,5 g/cm^3.

1.4,2 Il mantello e il nucleo

Grazie alla forza di gravità due materiali pesanti, ferro e nichel, sono migrati verso

l’interno della Terra. Questo avrebbe creato un nucleo denso, circondato da un involucro

di rocce silicati, che venne denominato mantello.

Mantello Superiore (circa 660 km), Inferiore (circa 2900 km) - rocce Femiche. Il mantello

inferiore ha una viscosità 20-30 volte più alta del mantello superiore. La discontinuità tra

mantello superiore e mantello inferiore a 660 km segna la massima profondità dei

terremoti.

Mantello Terrestre: principale sorgente dei magmi della crosta. Uno dei minerali principali

delle rocce Femiche è l’OLIVINA. Silicato di ferro e magnesio.

Gutemberg nel 1914 determinò che il limite nucleo-mantello si trovava a circa 2890 km di

profondità. Questo limite segna una brusca diminuzione della velocità delle onde P e un

azzeramento delle onde S.

1.4.3 La crosta

Altro limite a circa 40 km al di sotto del sub-continente. Questo limite, denominato

discontinuità di Mohorovicic (Moho) che separa una crosta composta di silicati a bassa

densità, ricchi di alluminio e potassio, da un mantello costituito di silicati a maggiore densità

e più alto contenuto di magnesio e ferro.

Poiché la crosta continentale è più spessa ma meno densa della crosta oceanica, i

continenti si elevano maggiormente, galleggiando sul mantello più denso.

Differenza tra la Crosta Continentale e quella Oceanica: la prima è meno densa (“sialica”)

rispetto alla seconda (“femica”) ma ha uno spessore maggiore ( ) e una

∼ 40 ∼ 10

maggiore età ( ).

∼ 4000 ∼ 200

Isostasia (maggior elevazione dei continenti rispetto ai fondali oceanici).

Le onde di taglio viaggiano all'interno del mantello e della crosta, e ciò indica che sono

entrambi allo stato solido. Il limite è individuato dal brusco cambiamento della velocità

delle onde sismiche. Le onde P passano da circa 6 km/s a oltre 8 km/s.

1.4.4 Il nucleo interno

Il limite nucleo-mantello riflette le onde sismiche. Lehman scoprì, a una profondità di

5150 km, un’altra superficie che separa il nucleo liquido da una massa centrale.

Sia le onde S che le onde P si propagano attraverso il nucleo interno. Il nucleo interno è

ipotizzato solido perché al passaggio tra i due nuclei aumenta molto la velocità delle onde P.

Pertanto il nucleo interno è una sfera metallica solida, contenuta nel nucleo esterno liquido.

3500°C del limite nucleo-mantello ai quasi 5000°C del centro.

Il “congelamento” del nucleo interno non è legato a temperature più basse ma piuttosto alle

elevate pressioni esistenti al centro della Terra.

1.4.5 Composizione chimica dei principali involucri che compongono la Terra

Lo stesso mantello si può dividere in un mantello superiore e un mantello inferiore, che

sono tra loro separati da una zona di transizione, in corrispondenza della quale la densità

delle rocce aumenta.

L’aumento della densità non dipende dalla composizione chimica, ma da un aumento del

grado di compattezza dei minerali costituenti, dovuto all’aumentare della pressione.

Il 90% della massa è costituito da soli quattro elementi: il ferro, l’ossigeno, il silicio e il

magnesio.

La diversa composizione degli involucri della Terra è il risultato dell’azione della gravità.

Le rocce e/o materiali che formano i livelli più profondi saranno più ricchi di Ferro e

Magnesio delle rocce che invece provengono dai livelli più superficiali (più ricche di

Ossigeno, Silicio, Alluminio).

La differenza di composizione si riflette sulla densità delle rocce e dei materiali che li

contengono. Le rocce e/o materiali che formano i livelli più profondi saranno più densi

di quelle che invece provengono dai livelli più superficiali.

1.5 La Terra come sistema di componenti interagenti

Due motori: il motore interno della Terra è alimentato dall’energia termica intrappolata

durante l’origine e da quella dal decadimento degli elementi radioattivi. Il motore esterno

della Terra è alimentato dall’energia solare che viene trasformata in calore.

La Terra sta subendo un costante e lento raffreddamento. Il calore emesso dal pianeta è

in parte una conseguenza del processo di raffreddamento iniziato dopo la sua formazione.

La produzione di tale calore è da attribuire, per circa il 20-40%, alla collisione delle particelle

o dei planetesimi che hanno formato la Terra e al calore di frizione legato ai movimenti

interni. Il rimanente 80-60% del calore emesso è da attribuire al decadimento radioattivo

degli elementi che compongono il nostro pianeta, in particolare gli isotopi dell’uranio, del

torio e del potassio.

Gli isotopi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni (e quindi di

elettroni) ma un diverso numero di neutroni. Quindi hanno lo stesso numero atomico

(detto anche numero protonico, o numero di protoni) ma un diverso numero di massa

(protoni + elettroni).

Il flusso termico terrestre, definito come la quantità di calore emessa nell’unità di tempo

per ogni unità di superficie è W/m^2 (il flusso di energia solare è W/m^2).

∼ 0, 06 ∼ 1000

Dal punto di vista energetico il flusso termico è il più imponente tra i fenomeni terrestri,

poiché la quantità di energia liberata per tale via in un anno è volte maggiore

∼ 50

dell’energia liberata da tutti i terremoti e le eruzioni vulcaniche nello stesso periodo di tempo.

Geoterma = curva che descrive come varia la temperatura della Terra con la profondità.

Insieme alla Geoterma è stata poi costruita la curva di fusione delle rocce e dei materiali

di cui è formata la Terra.

Sovrapponendo le curve capisco se le rocce fondono oppure no. In superficie le curve

sono molto vicine quindi le rocce non sono fuse ma plastiche (100-400 km a circa 1000°C, 1

o 2 % delle rocce sono fuse quindi perdono rigidità e viscosità).

Questo è il motivo dell’esistenza del “canale a bassa velocità” delle onde sismiche. La

minore velocità delle onde sismiche è dovuta al fatto che in quell’intervallo di profondità

(100-400 km) la curva di fusione è prossima o intercetta la Geoterma (T ; riquadro

∼ 1300 °

blu). All’intercetta tra le due curve si pensa si formi di roccia fusa, che diminuisce

∼ 1 ÷ 2%

fortemente la rigidità e la viscosità di quella porzione di Mantello e di conseguenza anche la

velocità delle onde sismiche.

1.5.2 Il geosistema Tettonica delle placche

La Terra presenta una zonazione chimica: la crosta, il mantello e il nucleo sono involucri

chimicamente diversi. Ma gli involucri si differenziano anche per la loro resistenza

meccanica: capacità di resistere a uno sforzo prima di subire una deformazione e dipende

dalla composizione chimica e dalla loro temperatura.

Studiando la distribuzione della T °C si è ipotizzato che alla base del Mantello inferiore

masse di rocce ad alte T°C tendano a risalire verso la base della Litosfera (cm/a; materiale

duttile che scorre come un fluido molto viscoso) e contemporaneamente le masse di rocce

vicine alla Litosfera, divenute più fredde, scendono verso il basso, dove torneranno a

riscaldarsi e quindi a risalire nuovamente.

Questi sono movimenti convettivi: le rocce più calde si muovono verso la superficie del

mantello e spingono le rocce che già si trovano in alto, spostandole lateralmente. Una volte

che le rocce si raffreddano scendono poi verso il basso, lasciando nuovamente il posto alle

rocce più calde.

Invece nella Litosfera la dissipazione del calore avviene per conduzione e non per

convenzione.

Il raffreddamento della parte superficiale forma l’involucro più esterno, molto resistente,

denominato litosfera, che poggia sull’astenosfera, calda e meno resistente. La litosfera

comprende la crosta e la parte sommitale del mantello. L’astenosfera è la porzione del

mantello fino a circa 300 km.

1.5.3 La geodinamo

Campo magnetico nel nucleo interno, liquido, della Terra. L’interazione tra queste due

parti (formate da Fe-Ni) genera il campo magnetico della Terra.

Il campo magnetico viene assimilato ad un campo magnetico generato da u