Scienze della terra

Scienze della Terra

La geologia

La geologia è una scienza che si occupa della ricostruzione della storia della Terra attraverso lo studio dei fenomeni fisici, chimici e biologici e dei loro prodotti (rocce) che hanno determinato la sua attuale evoluzione.

Tipi di risorse

• Risorse non rinnovabili: giacimenti minerali, petrolio, carbone, rocce
• Risorse rinnovabili: eolico, fotovoltaico, biomasse, geotermia e acqua

Tendenzialmente ci serviamo della geologia per rilevamenti geologico-strutturali, per la produzione di carte a diversa scala o per le sezioni geologiche. Grazie alla geologia possiamo studiare anche la deformazione, le ricostruzioni geodinamiche e la modellazione analogica.

Storia della geologia

• Erodoto ed alcuni pensatori greci (V sec. a.C.) —> interpretazione di fossili come resti di organismi viventi
• Aristotele (IV sec. a.C.) al contrario preferì spiegare l'origine dei fossili appellandosi all'azione di una forza creatrice (esalazioni provenienti dall’interno della Terra).
• Bibbia (Genesi) —> Fossili e Diluvio Universale (tutti gli oggetti creati da Dio) —> teorie catastrofiche
• Stenone (1670) scrisse un libro riassumendo i suoi concetti chiave: origine organica dei fossili, principio di sovrapposizione, ciclicità degli eventi ripetuta nel tempo, effetti di trasgressione. Esaminando i denti degli squali, Stenone fu impressionato dall’uguaglianza dei denti con alcuni oggetti di pietra conosciuti con il termine di “glossopetrae” o “lingue di pietra," trovate in alcune rocce. Fu Stenone che comprese che le glossopetrae non erano altro che denti di squalo ormai estinti e che fossero state seppellite nel fango e successivamente ritrovate nelle rocce.

Formazione di monti e valli

Le rocce hanno una storia: formazione, erosione (concetto errato), crollo, deposizione di nuove rocce. La stratigrafia è una branca della geologia che studia la datazione delle rocce ed i rapporti reciproci fra unità rocciose distinte.

Principi di stratigrafia

• Principio di orizzontalità: venne proposto da Stenone e stabilisce che i sedimenti si depongono in strati orizzontali quindi, una volta diagenizzati, dovrebbero mantenere una giacitura orizzontale.
• Principio di sovrapposizione: afferma che in sequenze stratigrafiche non deformate, il giacimento più antico si troverà in fondo alla sequenza (in poche parole, uno strato roccioso che si trova al di sotto di un altro è stato deposto prima dello strato sovrastante).
• Principio di intersezione geografica: se entro una serie di strati si incontra un livello litologico (che riguarda le rocce) che interseca gli altri, quest'ultimo è sicuramente più giovane della serie di strati attraversati.

Storia della geologia: contributi di Lehmann e Arduino

Lehmann (1756) distinse le rocce in tre categorie:

• Rocce primitive: rocce di origine chimica, cristalline, anteriori alla comparsa della vita e prive di fossili;
• Rocce secondarie o stratificate: rocce stratificate e fossilifere, formate dalle particelle erose dalle precedenti;
• Rocce di trasporto: costituite da rocce superficiali, di origine alluvionale e vulcanica, poco cementate e recenti.

Giovanni Arduino (1714-1795) invece le distinse in:

• Rocce primarie: rocce cristalline e metamorfiche
• Rocce secondarie: rocce sedimentarie compatte
• Rocce terziarie + vulcaniche: sedimentarie non consolidate e lave e tufi

Arduino svincolò il significato di “primario” dal concetto creazionista di “primitivo”. Al termine “primario” gli attribuì soltanto il significato temporale di “più antico” di “secondario”.

Nettunismo e plutonismo

Nel XVIII secolo si avviarono le scuole di pensiero e nacque il Nettunismo. I nettunisti proponevano una "teoria della Terra" nella quale il nucleo si diceva fosse freddo e solido. Tutte le rocce presenti sulla crosta terrestre avrebbero avuto origine da processi di sedimentazione marina (precipitazione chimica) depositatesi in seguito ad un fenomeno di regressione di un grande mare che originariamente ricopriva tutta la Terra. Il materiale eruttato dai vulcani non avrebbe avuto un'origine litosferica ma sarebbe stato alimentato da un processo di "cottura" di strati carboniosi (“fuochi superficiali per autocombustione dei carboni”).

Successivamente si sviluppò anche il plutonismo di Hutton:

• Immagina una terra molto antica (più antica dell’età biblica)
• Giusto ruolo dell’erosione
• Immagina sequenza ciclica di processi
• Vede il calore terrestre come motore

Attualismo di Lyell

Lyell si può considerare il più autorevole sostenitore dell’attualismo: “Il presente è la chiave del passato”. Egli descrisse un modello nel quale "non c'erano prove di un inizio, né indizi di una fine" e immaginava la Terra in un ciclo continuo. Il grande pregio di Lyell fu di saper divulgare quelle teorie. La Terra è stata modificata attraverso l’azione di forze in tempi lunghissimi.

Concetto di tempo geologico

• Tempo relativo: si basa su correlazioni stratigrafiche, cerca di stabilire il “prima” e il “dopo” degli eventi. Esempi: criteri stratigrafici come le successioni sedimentarie oppure criteri paleontologici.
• Tempo assoluto: viene calcolato sulla base delle quantità degli isotopi radioattivi naturali presenti nelle rocce. Esempio: criterio isotopico età in anni t=1/λ log(N/N0 +1) t= λ= padre/figlio.

Ciclo del carbonio

I raggi cosmici prodotti dal sole colpiscono gli atomi di N-14 nell’atmosfera e causano il loro decadimento in C-14, il quale, combinandosi con l’O, forma CO₂ radioattiva. Gli organismi viventi sono in equilibrio con l’atmosfera e la CO₂ radioattiva è assorbita e usata dalle piante. La CO₂ entra nella catena alimentare e nel ciclo del carbonio. Tutti gli organismi viventi contengono C-14 e C-12 in rapporto costante. Alla morte, cessa lo scambio con l’atmosfera del C-14 e quello presente nei tessuti inizia a decadere in Azoto-14. La variazione del rapporto tra C-14 e C-12 sta alla base del metodo di datazione. Il tempo di dimezzamento è così breve (5730 anni) che il metodo può essere usato su materiali che hanno meno di 70.000 anni (assumendo che la velocità di produzione del C-14 sia rimasta costante nel tempo).

Il pianeta Terra

Il nostro pianeta è formato da un nucleo interno (solido), da un nucleo esterno (fluido), dal mantello e dalla crosta. Per studiare e comprendere la stratificazione terrestre ci possiamo servire di metodi indiretti come le onde sismiche, il magnetismo, la gravità, il flusso di calore e i meteoriti oppure di indizi diretti come il vulcanismo, le perforazioni, l’orogenesi o i kimberliti (prodotti vulcanici contenenti diamanti).

Le onde

Un’onda è una perturbazione che trasferisce energia da un punto all’altro di un mezzo. Abbiamo diversi tipi di onde:

• Onde sonore — > variazione della pressione dell’aria
• Onde del mare — > variazione della superficie dell’acqua
• Onde sismiche — > variazione della deformazione elastica nelle rocce

Questi tre tipi di onde hanno bisogno di un mezzo (materia) per propagarsi.

Onde elettromagnetiche – si propagano anche nel vuoto.

Frequenza, periodo e velocità

• Frequenza: La misura quanto spesso avviene una certa perturbazione nell’unità di tempo (Hz). Es: ripetersi del numero di creste in un ciclo.
• Periodo: Il periodo descrive il ciclo di ripetizione di un evento. Frequenza = 1/periodo
• Velocità: La velocità di un’onda è = spazio/tempo dove lo spazio corrisponde alla lunghezza d’onda e il tempo al periodo quindi: Velocità = λ/T (lunghezza d’onda/ periodo) Velocità = frequenza • λ

Riflessione di un’onda

La riflessione si verifica quando l'onda incontra un ostacolo che non può superare e viene riflessa indietro. Secondo la legge della riflessione, l'angolo di incidenza dell'onda è uguale all'angolo di riflessione. L'angolo di incidenza (a) misura la distanza tra la direzione di propagazione dell'onda e la perpendicolare della superficie riflettente. L'angolo di riflessione (b) misura la distanza tra la perpendicolare della superficie riflettente e la direzione dell'onda incidente (onda riflessa).

Rifrazione di un’onda

In fisica la rifrazione dell'onda si verifica quando l'onda passa da un corpo a un altro con densità diversa, subendo una variazione nella direzione e nella velocità di propagazione, perché i due corpi sono mezzi differenti.

Riflessione totale

La riflessione è totale se l’onda non viene assorbita dalla superficie riflettente e si riflette nella direzione incidente senza perdere energia.

Le onde sismiche

Esistono diversi tipi di onde sismiche. Quando avviene un terremoto l'energia accumulata dalle rocce si libera in parte sotto forma di onde sismiche che si propagano all'interno della Terra.

Tipi di onde sismiche

• Onde P: Le (o Primarie) sono le più veloci. Esse si propagano come le onde sonore nell'aria. Sono infatti anche dette "longitudinali" perché fanno oscillare le particelle di roccia che attraversano parallelamente alla loro direzione di propagazione. In sostanza, al loro passaggio, le rocce si comprimono e si dilatano continuamente.
• Onde S: Le (o Secondarie) viaggiano più lentamente delle "P". L'oscillazione delle particelle di roccia che attraversano avviene trasversalmente rispetto alla loro direzione di propagazione. A differenza delle Onde P, le Onde S non causano variazioni di volume al loro passaggio e non si propagano nei fluidi.

Quando le Onde P e le Onde S raggiungono un qualsiasi punto della superficie terrestre allora comincia a propagarsi concentricamente un'onda superficiale più lenta delle "onde di volume". I due tipi principali sono:

• Onde di Rayleigh: Le assomigliano a quelle che si propagano quando un sasso viene lanciato in uno stagno. Esse fanno vibrare il terreno secondo orbite ellittiche e retrograde rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.
• Onde di Love: Le fanno vibrare il terreno sul piano orizzontale. Il movimento delle particelle attraversate da queste onde è trasversale e orizzontale rispetto alla direzione di propagazione delle onde.

Struttura della Terra

La Terra è composta da diverse strutture geologiche:

• Crosta: sottile, rigida, spessore tra i 6 e i 70 km, ha una profondità pari ai 70km circa e le onde si propagano in maniera diversa così da causare la prima discontinuità sismica, quella di Mohorovic, che separa la crosta dal mantello.
• Mantello: denso (5,6 cm³), spesso (2900 KM), rigido, silicati Fe/Mg, abbiamo la seconda discontinuità, ovvero quella di Gutemberg, che separa il nucleo dal mantello.
• Nucleo: interno e esterno, Fe puro, 5% Ni (tracce di Si e S), abbiamo la discontinuità di Lehman che divide il nucleo più esterno fluido dal nucleo più interno solido.

Litosfera: crosta + mantello fino all’astenosfera, in questa zona sono in atto dinamiche che hanno effetto sulla superficie.

Struttura della crosta

Possiamo distinguere due tipi di crosta: la crosta oceanica e la crosta continentale.

Crosta oceanica

La crosta oceanica è estesa sotto mari e oceani e ha uno spessore di 6 km, si attesta questa superficie sotto gli oceani a -3800 m (quota media superficiale). È costituita da rocce giovani, massimo 190 milioni di anni; le rocce tra loro sono stratificate:

• Sedimenti non diagenizzati (non si sono ancora compattati per diventare roccia dura)
• Basalto (roccia magmatica)
• Basalto intrusivo (gabbro) (quando le rocce magmatiche non riescono ad arrivare in superficie, si raffreddano sotto la crosta).

Crosta continentale

La crosta continentale è costituita dai continenti e dalla loro prosecuzione sotto il mare, ha uno spessore che varia dai 35-70 km. La sua quota media superficiale è (ovvero quanto si innalza rispetto al livello del mare) di 820 m. Le rocce della crosta continentale possono essere rocce di ogni età (da 4 miliardi di anni a oggi). A differenza della crosta oceanica, la struttura non è stratificata: geometrie complesse, eterogenea e diversi tipi di rocce. La crosta continentale è suddivisa in cratoni e orogeni.

Cratoni

I cratoni (dal greco kràtos, rigido) sono le aree interne dei continenti che si sono formate da 3,8 a 1,6 miliardi di anni fa durante il consolidamento della crosta terrestre. I cratoni a loro volta sono formati da scudi e tavolati.

Scudi

Gli scudi sono resti di antiche catene montuose smantellate dall’erosione, costituiti da rocce ignee e metamorfiche.

Tavolati

I tavolati circondano gli scudi e sono delle aree pianeggianti, sono ricoperti da rocce sedimentarie per sommersione/emersione marina.

Orogeni

Gli orogeni sono le aree più instabili e deformabili dove nascono le catene montuose, formate per orogenesi. Quando due placche tettoniche si avvicinano, e un continente entra in collisione con una placca, nascono le montagne: avviene ciò che i geologi chiamano orogenesi.

Per studiare la composizione della crosta, nel 1970 un gruppo di scienziati sovietici condusse un progetto di perforazione della crosta terrestre. Raggiunsero una profondità di 12 km e nel progetto del pozzo Kola scoprirono anche la discontinuità di Conrad. Questa discontinuità si trova nella crosta continentale dove la velocità delle onde sismiche aumenta in modo discontinuo. La crosta terrestre è formata per l’82% da ossigeno, silicio e alluminio ma troviamo anche tracce di magnesio, calcio, sodio, potassio e altri elementi. La Terra invece è formata per il 93% da ferro, ossigeno, silicio, magnesio ma contiene anche altri elementi come nichel, zolfo e calcio.

Struttura della crosta continentale

• Piattaforma continentale - (0-200 m di profondità, fino a 100 km dalla linea di costa, bassa inclinazione del pendio 2‰, economicamente sfruttabili)
• Scarpata continentale - (dai 200 m ai 2000-3000 m, inclinazione media 4°)
• Rialzo continentale - (declivio che raccorda la scarpata con la piana abissale che si trova a 4000-6000 m circa)

Composizione del nucleo

Il nucleo ha un raggio di circa 3500 km, dalla discontinuità di Gutenberg fino al centro della terra. Il nucleo esterno, liquido, è composto principalmente da ferro (80%) e nichel ed è caratterizzato da una temperatura di 3000 °C, una densità di 9,3 g/cm³ e una pressione di 1400 kbar. Il nucleo interno è invece solido, composto quasi esclusivamente di ferro, con un raggio di circa 1250 km, ha una temperatura attorno ai 5400 °C, una densità di 13 g/cm³ e una pressione di 3300-3600 kbar.

La gravità

La forza di gravità varia con la latitudine poiché se la Terra fosse omogenea avremmo la stessa forza ovunque ma non è così. La superficie della terra è irregolare, presenta delle rugosità e inoltre la sua forma non è perfettamente sferica anche a causa dello schiacciamento globale. Il solido geometrico che più assomiglia alla Terra è l'ellissoide, ma siccome non riesce a rappresentare le irregolarità presenti nella forma della Terra è stato introdotto il geoide che ha una forma irregolare, propria e particolare. La Terra ha una forma dinamica. Varia al variare della distribuzione delle masse al suo interno o sulla sua superficie (maree, moti convettivi, scioglimento dei ghiacci, erosione).

Anomalie gravimetriche

Le misure di gravità devono tener conto di:

• Della posizione geografica sulla superficie terrestre, latitudine
• Quota (altezza sul livello del mare)
• Effetti topografici locali (vicinanza a catene montuose o valli)
• Variazioni spaziali della densità dei materiali nel sottosuolo

Anomalia gravimetrica = variazione dei valori di gravità rispetto a quelli teorici calcolati sull’ellissoide o sul geoide Δg= g misurata – g teorica

Correzioni

• Correzione in aria libera o di Faye (variazione di g con la quota): rientra tra le correzioni da apportare alle misure gravimetriche per riportare i valori osservati a quelli che si otterrebbero sull'ellissoide internazionale di riferimento.
• Correzione di Bouguer
• Correzione topografica

Anomalie di Bouguer

L'anomalia di Bouguer è una anomalia gravitazionale che, una volta calcolata, fornisce la discrepanza fra l'accelerazione di gravità misurata in un punto della superficie terrestre g rispetto a quella teorica g₀ che si sarebbe osservata sul geoide, nel punto corrispondente lungo la verticale. Anomalia Bouguer > 0 densità maggiori nel sottosuolo rispetto alla superficie. Anomalia Bouguer < 0 densità minori nel sottosuolo rispetto alla superficie. Misurare le anomalie gravimetriche fornisce informazioni sulle strutture sotto la superficie terrestre.

Isostasia

È un fenomeno di equilibrio gravitazionale che si verifica sulla Terra tra la crosta e il sottostante mantello litosferico. Il principio dell'isostasia ci permette di comprendere i movimenti verticali del pianeta.