Geochimica - Parte 1

NUCLEO ESTERNO???????

Per generare i moti convettivi di tipo termico nel nucleo esterno , la produzione minima di calore

 12

dovrebbe essere 2,5 x 10 W.

Quindi questa forma di energia non è sufficiente ad eccitare la dinamo!!!!!!!



2. Energia radioattiva:

convezione termica dovuta al decadimento radioattivo.

Il solo isotopo radioattivo a lunga vita che è capace di fornire l’energia richiesta e che PUO’

40

trovarsi nel NUCLEO è il K.

Tutti i metalli alcalini sono litofili perché formano atomi a bassa pressione e quindi sono

concentrati nella CROSTA. Ma essi possono essere stati incorporati anche nei solfuri ( calcofili ),

quindi nel NUCLEO ESTERNO, perché il loro elettrone s più esterno può trasferirsi allo strato d,

più piccolo, alle alte pressioni!!!!!!!!!!!!!

40

Ma la Terra ha poco K rispetto alle CONDRITI ( ha solo 1/3 di tutti i metalli alcalini

 40

rispetto a queste ultime ), e inoltre il K è per lo più presente nella CROSTA in quanto

prevalentemente LITOFILO e solo in parte nel NUCLEO :

40

Quindi l’energia generata dal decadimento del K nel nucleo è troppo bassa per poter eccitare



la dinamo!!!!!!!!!!!!

3. Energia gravitazionale:

Il nucleo interno solido si sta accrescendo per raffreddamento e cristallizzazione di una lega

relativamente densa nel nucleo esterno durante tutta la storia del campo magnetico 

I cristalli vanno verso l’interno perché sono più pesanti e il fuso si sposta verso l’alto = il nucleo

interno si accresce per spostamento gravitativo.

Il materiale che solidifica è più ricco di nichel ( più denso ) della composizione media del nucleo

esterno. Quindi al contatto nucleo interno-nucleo esterno si forma uno strato impoverito di nichel

che, essendo meno denso del resto del nucleo esterno, sarà gravitazionalmente instabile e tenderà

a salire verso l’alto e a produrre una circolazione convettiva!!!!! 18

Il materiale di ferro-nichel che cristallizza nel nucleo esterno è più denso del materiale rimanente

e quindi affonderà verso il nucleo interno CONVEZIONE GRAVITAZIONALE.



28

Questa energia fornirebbe 5 x 10 J . Assumendo una velocità di rilascio uniforme durante la

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storia della Terra, ciò rappresenta una potenza stazionaria di 3,5 x 10 W.

Ma oggi il nucleo esterno probabilmente sta cristallizzando meno velocemente che nei primi tempi

della sua storia.

Ma anche così è probabile che la potenza fornita dalla convezione gravitazionale soddisfi le

necessità del campo magnetico!!!!

Inoltre la formazione e crescita del nucleo interno rilasciano in questo modo anche energia

sottoforma di calore latente e, in più, il passaggio di correnti elettriche attraverso il materiale del

nucleo genera calore per dissipazione reristiva 

Quindi entrambe le forme di riscaldamento possono contribuire alla convezione gravitazionale



aggiungendo una corrente termica e mantenendo elevata l’efficienza del processo ( vicina al 100% ),

dunque è questa l’energia che eccita la dinamo!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

IL NUCLEO : RIASSUNTO 

Regione solida interna ( 5100-6000 km profondità ) :

1,7% della massa della Terra, composta di una lega ferro-nichel (probabilmente 20% Ni e 80% Fe).

 3

la densità del materiale è di circa 12,6-13 g/cm la lega delle meteoriti ha questa densità,

  3

quindi il nucleo ha la composizione della lega meteoritica ( il ferro puro ha densità 10,6 g/cm ).

Il nucleo interno è solido perché altrimenti non ricomparirebbero le onde S : la sua T deve essere

 quindi inferiore a 4500 °C, T alla quale fonderebbe la lega ferro-nichel.

Regione fluida esterna:

30% della massa della Terra, composta di una miscela di ferro e zolfo ( 13% zolfo e 2 % nichel ).

 E’ fluido perché le onde S non vi si propagano.

 Ha elementi che fondono già a T inferiori a 4500°C ( T di fusione al confine nucleo interno/nucleo

 esterno), quindi questo vuol dire che non è una lega pura ferro-nichel. Gli elementi sono quelli delle

leghe meteoritiche: zolfo, silicio, carbonio ecc…; la lega è alleggerita con elementi ad essa

compatibili, i quali abbassano la T di fusione della lega ( a 1800°C con il 48% di FeS e il 52% di Fe

T di fusione alconfine nucleo/mantello ) . La temperatura reale è intermedia tra le 2 e

probabilmente è 3200°C .E’ probabile che il nucleo interno possegga un gradiente 13

approssimativamente adiabatico e che fornisca al mantello una potenza dell’ordine di 10 W.

La variazione secolare del campo magnetico indica una sorgente dinamica.

Si pensa che il campo sia il prodotto di anelli di corrente elettrica nel nucleo esterno mobile, i quali,

in presenza del campo magnetico da essi stessi generato, mantengono il campo con una azione a

dinamo ( dinamo auto-eccitata ). Ciò richiede che il nucleo esterno subisca un moto di convezione a

dinamo. 19

L’intero nucleo è stato fuso all’inizio della storia della Terra, ma il nucleo interno si sia

 raffreddato e cristallizzato:

Questo processo può avere dato origine alla convezione gravitazionale nel nucleo esterno, a causa

del grande contrasto di densità tra i grani solidi di metallo appena cristallizzati e il liquido

galleggiante contentente solfuri. In tal modo è disponibile un’energia sufficiente a generare il

campo magnetico terrestre con un’azione a dinamo.

IL MANTELLO

Dalla MOHO ( 5-90 km ) a 400 km profondità= MANTELLO SUPERIORE:

 MANTELLO LITOSFERICO (SOLIDO) + ASTENOSFERA ( LIQUIDA ).

Gradienti di densità piuttosto bassi.

Da 400 a 1050 km profondità= ZONA DI TRANSIZIONE

 Vi sono 3 gradini nel profilo della velocità in funzione della profondità: a 400, 650 e 1050 km.

Questi gradini sono correlati alle discontinuità che compaiono nel profilo della densità in funzione

della profondità : aumenti rapidi della densità con la profondità aumento totale da 3500 a 4600



3

kg/m .

Da 1050 a 2900 km profondità= MANTELLO INFERIORE

 3

Gradienti di densità piuttosto bassi fino a 2885 km. Aumento di densità lineare da 4600 kg/m a

3

5500 kg/m

Composizione chimica e mineralogica del mantello è molto meno nota della sua densità; le



informazioni disponibili provengono da vincoli fisici, dati di meteoriti e materiali geologici:

1. Vincoli fisici : usati per determinare quali tipi di roccia possono esistere in profondità.

Densità, pressione litostatica, temperatura.

2. Dati di meteoriti : tenendo presente il modello condritico della Terra, il mantello originario

dovrebbe essere stato simile alle FASI SILICATICHE delle condriti. Insieme con la teoria della

distribuzione degli elementi in base alle loro proprietà elettroniche ( vedi dopo * ) queste

indicazioni pongono restrizioni alla composizione globale.

3. Materiali geologici : OFIOLITI per esempio, che comprendono sia la crosta oceanica sia le rocce

del mantello superiore.

IL MANTELLO SUPERIORE ( 5/90 - 400 km )

In alcune lave, in zone particolari, vi sono pezzi di rocce estranee: XENOLITI ( inclusi ultrabasici

trasportati in superficie da basalti alcalini; rocce estranee al magma in cui si trovano ):

1. DUNITE : quasi interamente OLIVINA, miscela isomorfa di ( Fe,Mg ) SiO .

2 4

2. ECLOGITE : PIROSSENO + GRANATO ROSSO. 20

3. PERIDOTITE : OLIVINA + PIROSSENO.

4. LHERZOLITE : PERIDOTITE + PLAGIOCLASIO.

Dominata ancora da OLIVINA = circa il 60% ma con ORTOPIROSSENO E CLINOPIROSSENO.

Componenti minori includono lo SPINELLO ( MgAl O ) e PLAGIOCLASIO ( CaAl Si2O ).

2 4 2 8

5. HARZBURGITE : soprattutto OLIVINA ( circa 80% ) con una minore quantità di

ORTOPIROSSENO ( circa 20% ) .

Quindi nel mantello superiore vi sono soprattutto silicati ferro-magnesiaci, e la composizione è

fondamentalmente a pirosseno, olivina, granato e plagioclasio.

- L’ASTENOSFERA ( 60-250 km )

Strato posto sotto la litosfera che cede in maniera viscosa durante i raggiustamenti isostatici.

La zona a bassa velocità è invece definita su base sismica: in essa si ha una riduzione di velocità

del 3-6%, che è pronunciata più per le onde S che per le onde P..

Sebbene la zona a bassa velocità e l’astenosfera siano formalmente distinte esse sono spesso

considerate equivalenti perché si trovano all’incirca alla stessa profondità.

Zona a bassa velocità: zona di fusione parziale.

LA ZONA DI TRANSIZIONE ( 400 - 1050 km )

Può rappresentare una regione di trasformazioni di altra pressione per i minerali silicatici. I nuovi

minerali, adatti alle condizioni di P e T del mantello inferiore, sarebbero più densi e con strutture

anatomiche interne più compatte.

Dai silicati si passa agli ossidi per aumento di pressione e compattazione continua delle strutture.

Una trasformazione di fase comporta cambiamenti di struttura e densità, ma non di

 composizione la composizione è sempre la stessa, cambiano le strutture cristalline nelle quali



sono contenuti gli elementi

olivina ( mantello superiore )-spinello ( 400-600 km )-piombato di stronzio ( 650-1050 km ).

 pirosseno e granato ( mantello superiore )-granato ( 400-600 km )-ilmenite e perovskite



( 650-1050 km ) + ossidi semplici.

olivina ( mantello superiore )-spinello ( 400-600 km )-piombato di stronzio ( 650-1050 km ).



IL MANTELLO INFERIORE ( 1050 - 2900 km )

Ulteriore compattazione strutture. L’aumento di velocità onde sismiche e densità è dolce .

Da ossidi semplici a ilmenite, periclasio, ferrite di calcio wurstite

 Da piombato di stronzio a stishovite e/o corindone e stishovite

 21

IL MANTELLO NEL COMPLESSO 

Fonti di informazione utilizzate per determinare la composizione e lo stato del mantello:

1. Velocità sismiche e conseguente distribuzione della densità.

2. Risultati di esperimenti ad alte pressioni e temperature su probabili materiali del mantello.

3. Ofioliti, Kimberliti e altri materiali in noduli che costituiscono campioni del mantello superiore.

4. Dati relativi ai meteoriti.

CONCLUSIONI:

1. L’intero mantello ha probabilmente una composizione chimica simile a quella della LHERZOLITE, un

tipo di PERIDOTITE che, alla superficie della Terra, è formato da 60% OLIVINA, 30%

PIROSSENO e 10% PLAGIOCLASIO.

2. Questo materiale subisce una fusione parziale fino al 25% nei 30 km superiori del mantello al di

sotto delle dorsali in espansione, dove i gradienti termici sono elevati ( 100°C/km )

LA CROSTA

ABBONDANZE ELEMENTI NELLA CROSTA:

O > Si > Al > Fe > Ca > Na > K > Mg > Ti (99%