Concetti e nozioni per l'esame di geologia

Fenomeni sismici

Terremoto

Terremoto: Rapide vibrazioni del suolo causate da un’improvvisa liberazione di energia.

Ipocentro: Luogo in cui avviene il rilascio di energia.

Epicentro: Luogo o punto sulla superficie terrestre che si trova sulla verticale dell’ipocentro. In questo punto il terremoto viene percepito con la massima intensità.

Onde sismiche

Onde sismiche: Onde elastiche che si propagano nella crosta terrestre. (Onde P; Onde S; Onde L)

Onde P: Onde Prime, longitudinali o di compressione. Sono le più veloci e al loro passaggio le particelle del mezzo attraversato si spostano avanti e indietro, cioè si comprimono e si distendono lungo la direzione di propagazione dell’onda. Le onde P viaggiano sia attraverso i mezzi allo stato solido, sia attraverso i mezzi allo stato liquido.

Onde S: Onde Seconde, trasversali o di taglio. Fanno vibrare le particelle del mezzo attraversato lungo piani perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda. Al contrario delle onde P, queste viaggiano solo attraverso i mezzi allo stato solido.

Onde L: Sono onde superficiali, dunque si propagano solo negli stati più superficiali della terra. Si dividono in “onde di Love” che provocano sul piano orizzontale movimenti in direzione trasversale rispetto alla direzione di propagazione dell’onda, per questo sembrano tracciare una “S” sul terreno. Le “onde di Rayleigh” provocano invece un movimento secondo una traiettoria ellittica delle particelle del mezzo attraversato.

Geodinamica interna

I più importanti dati sulla struttura della terra sono stati ricavati dallo studio sulle onde sismiche. La loro velocità di propagazione dipende dalle proprietà fisiche delle rocce attraversate. In generale, tale velocità aumenta con l’aumentare della densità del materiale attraversato, ed è maggiore quando le onde attraversano materiali che si comportano in modo rigido ed elastico. Inoltre, se i materiali si trovano allo stato fluido, le onde P vengono rallentate mentre le onde S non si trasmettono affatto. Si osserva inoltre che la velocità di propagazione delle onde sismiche aumenta con l’aumentare della profondità, ciò indica che si è in presenza di un progressivo aumento della densità dei materiali attraversati. Al tempo stesso, si nota che a tre distinte profondità al di sotto della superficie terrestre si hanno repentini cambi di velocità.

Le superfici di discontinuità

Le brusche variazioni di velocità con cui le onde sismiche si propagano all’interno della Terra vengono messe in relazione con la presenza di tre superfici sferiche, dette superfici di discontinuità. Le superfici di discontinuità sono zone in cui variano bruscamente la composizione o lo stato fisico dei materiali che costituiscono la terra. In corrispondenza delle discontinuità vengono a contatto strati costituiti da materiali che hanno proprietà fisiche (discontinuità di tipo fisico), per esempio presentano diversa densità e stato di aggregazione, oppure proprietà chimiche diverse (discontinuità di tipo litologico), per esempio manifestano una diversa composizione chimica delle rocce.

• Discontinuità di Mohorovicic: Si trova a una profondità media di 33 km (6 km sotto il fondo degli oceani a circa 30 km sotto i continenti e sino a 70 km sotto le catene montuose). Questa discontinuità è detta di Moho e delimita la crosta (continentale o oceanica) dal mantello superiore.
• All’interno del mantello superiore, a circa 70 km (sino a 150 km sotto le catene montuose) si osserva una seconda discontinuità (all’interno del mantello superiore) che individua il passaggio dalla litosfera all’astenosfera. L’astenosfera determina una caduta della velocità delle onde sismiche, che si estende sino a circa 250 km infatti viene chiamata LVZ cioè Low Velocity Zone.
• Discontinuità di Gutenberg: Si trova a circa 2900 km di profondità e separa il mantello dal nucleo esterno a densità elevata e meccanicamente con comportamento “fluido”. Al di sotto di questa discontinuità si osserva una brusca diminuzione della velocità delle onde P, e si interrompe la propagazione delle onde S.
• Discontinuità di Lehmann: Si trova a circa 5170 km di profondità, e determina il limite con il nucleo interno a comportamento solido e a forte densità. Si registra quindi un forte aumento della velocità delle onde P. In questa parte solida del nucleo si generano delle nuove onde “KS” e “KP” dalle onde P (Onde di Kern “K”).

Gli involucri terrestri

La crosta terrestre: Si tratta di un involucro molto sottile, infatti il suo spessore medio è di 33 Km rispetto ad un raggio terrestre di 6370 Km. Si parla di spessore medio poiché mentre la crosta continentale ha un spessore che varia tra 30 km e i 40 km fino a un massimo di 70 km, lo spessore della crosta oceanica varia da 5 km ai 10-15 km. Un'altra differenza è che la crosta continentale ha una composizione prevalentemente granitica, in cui si trovano materiali più leggeri (silicati di alluminio), mentre la crosta oceanica ha una composizione basaltica aventi una maggiore densità.

Il mantello: Si divide in mantello superiore e mantello inferiore. Subito sotto la discontinuità di Mohorovicic, troviamo il mantello, composto da materiale più denso rispetto alla crosta terrestre. La composizione del mantello superiore (fino a 700 Km) è conosciuta grazie alle emissioni sia della dorsale medio oceanica, sia di alcuni vulcani (Vulcani di punto caldo). Essa è costituita da silicati ferro-magnesiaci (olivine e pirosseni) che costituiscono una roccia chiamata peridotite. Il mantello inferiore (da 700 km sino 2900 km) sembra essere più ricco in ferro rispetto al magnesio.

Il nucleo: Si divide in nucleo esterno e nucleo interno. Alla profondità di 2900 km in corrispondenza della discontinuità di Gutenberg troviamo il nucleo esterno. Il fatto che tale strato non sia attraversato dalle onde S ci fa supporre che questa parte del nucleo sia allo stato fluido. Alla profondità di 5170 km in corrispondenza della discontinuità di Lehmann, le onde P subiscono una forte accelerazione dovuta probabilmente a un passaggio da un mezzo fluido a uno solido, più denso ed elastico. Questa parte del nucleo è detta appunto nucleo interno, ed è attualmente ritenuta allo stato solido. Si ritiene che proprio lo stato fluido del nucleo esterno stia all’origine del campo magnetico terrestre.

Litosfera, astenosfera e mesosfera (tra crosta e mantello)

In base al diverso comportamento fisico, si riconoscono all’interno della crosta e del mantello tre diverse zone: la litosfera, l’astenosfera e la mesosfera.

• La Litosfera: è la zona superiore della terra e comprende dunque tutta la crosta terrestre e la parte superiore del mantello fino a una profondità che varia dai 70-75 km al di sotto dei bacini oceanici e dai 110-130 km al di sotto dei continenti. La litosfera ha un comportamento rigido. (In questa parte della terra avvengono per la maggior parte fenomeni geologici quali vulcanismo, orogenesi e sismi.)
• L’astenosfera: si trova subito sotto la litosfera, da una profondità media di 100 km sino ad arrivare a 200 – 250 km. Come già detto in questo strato le onde P e le onde S subiscono un forte rallentamento, delineando appunto la LVZ (Low Velocity Zone). Questo abbassamento della velocità è dovuto alla parziale fusione dell’1% del materiale mantellico e quindi con comportamento viscoso e plastico. Queste zone non traducono variazioni composizionali, ma esclusivamente variazioni fisiche e meccaniche del mantello.
• La Mesosfera: è la zona sottostante l’astenosfera ed è estesa sino alla discontinuità di Gutenberg (2900 Km). In questa porzione del mantello le rocce si trovano nuovamente ad uno stato solido e tornano ad avere un comportamento rigido ed elastico.

Deriva dei continenti di Wegener

La deriva dei continenti

Per spiegare la non casuale distribuzione delle catene montuose sulla terra, gli studiosi avevano due divise scuola di pensiero. L’ipotesi fissista che sosteneva che le posizioni dei continenti o dei bacini oceanici fossero rimaste fisse e immutate nel corso del tempo e l’ipotesi mobilista che sosteneva che i continenti potessero un tempo aver occupato diverse posizioni.

Nei primi anni del ventesimo secolo, il meteorologo Wegener propose per la prima volta la teoria della deriva dei continenti, secondo la quale i continenti non sarebbero rimasti fermi e stabili nella loro posizione, ma si sarebbero mossi sulla superficie terrestre, galleggiando sul mantello viscoso. Wegener arrivò alla conclusione che circa 200 milioni di anni fa tutti i continenti erano uniti in unico grande continente che lui chiamò Pangea (“tutte le terre emerse”) circondato da un oceano Panthalassa (“tutti i mari”) che sarebbe poi diventato l’oceano pacifico.

• Africa e America del Sud possiedono forme complementari;
• Continuità delle strutture Precambriane e Paleozoiche;
• In questi continenti la fauna e la flora del paleozoico (> 220 Ma) è identica. Dopo questo periodo il contenuto fossilifero evolve distintamente nei due continenti. Queste osservazioni possono una trovare una spiegazione se si considera che questi continenti insieme costituivano un tempo lo stesso blocco.

Per esempio tra 240 e 220 Ma la Pangea (che raggruppa i continenti paleozoici Godwana e Laurasia).

L’osservazione dei fondi oceanici

Grazie all’osservazione dei fondi oceanici si individuò il sistema delle dorsali medio-oceaniche interrotte dalle faglie trasformi che presentano una sismicità attiva lungo il tratto tra i due tronconi dorsali dove sono localizzati gli ipocentri dei terremoti superficiali. In seguito a queste scoperte Harry Hess elaborò una nuova teoria nota come teoria dell’espansione dei fondi oceanici, secondo la quale nel mantello terrestre esistono correnti convettive che risalgono proprio in corrispondenza delle dorsali oceaniche. Il magma che risale dall’astenosfera, riempie la frattura assiale (lungo l’asse) delle dorsali e solidifica come roccia basaltica con tipica struttura a cuscino (“pillow”) generando nuova crosta oceanica; questo materiale una fuoriuscita si salderebbe in parte ad un fianco della dorsale ed in parte dall’altro fianco della dorsale spingendo la vecchia crosta verso l’esterno. Inoltre, poiché il volume della crosta terrestre è rimasto immutato nel corso del tempo, possiamo intuire che la crosta che si genera in un punto viene poi distrutta in altro.

Riassumendo, quindi, possiamo dire che i fondi oceanici nascono al livello delle dorsali medio oceaniche e ne acquisiscono la magnetizzazione del momento. In seguito sono “traslati” lateralmente alla dorsale conservandone la magnetizzazione originaria mentre della nuova lava arriva in superficie.