Geofisica applicata - Tomografia Sismica

La tomografia sismica

La tomografia sismica è una tecnica di analisi recente che permette di migliorare notevolmente la conoscenza della struttura interna della Terra, compreso l'andamento della circolazione convettiva nel mantello. In modo analogo alla Tomografia Assiale Computerizzata usata in medicina, la tomografia sismica combina le informazioni ricevute da un gran numero di onde che si intersecano per costruire immagini 3D del mezzo attraversato.

Principi della tomografia sismica

Nel caso della TAC, il mezzo da indagare è il corpo umano e la fonte di energia è un generatore di raggi X. Nel caso della Terra, il mezzo da indagare è l'interno della Terra stessa e la migliore fonte di informazioni sul suo interno è costituita dalle onde sismiche generate dai terremoti. Queste, nell'attraversare la Terra, subiscono solo una debole attenuazione (soprattutto le onde a lungo periodo) e quindi possono essere rilevate e registrate dai sismometri di tutto il mondo.

La struttura media della Terra in senso radiale (cioè la sua suddivisione in crosta, in mantello superiore e inferiore, in nucleo esterno fluido e in nucleo interno solido) è nota da tempo; la tomografia sta aggiungendo importanti particolari a questo semplice modello. Determinando le variazioni con la latitudine, con la longitudine e con la profondità di alcune proprietà fondamentali (come temperatura e densità) è possibile avere un'immagine 3D della Terra.

Il comportamento delle onde sismiche

Per comprendere il funzionamento della tomografia sismica è necessario ricordare alcune caratteristiche delle onde sismiche e del loro comportamento. La Terra trasmette le perturbazioni sismiche perché è un mezzo elastico: resiste alle deformazioni e, quando una sua parte viene sottoposta a sollecitazione (per cui viene compressa o deformata), una forza, con azione contraria, interviene per riportare quella parte alle condizioni originarie.

Un'onda sismica è una perturbazione che si propaga, generata da una liberazione di tensione da parte di un terremoto. Le onde sismiche si propagano più velocemente attraverso quelle parti più resistenti alle deformazioni: cioè più rigide; la velocità delle onde P e delle onde S dipende dalla rigidità del mezzo che è una misura della resistenza del mezzo agli sforzi di taglio. Pertanto nei fluidi la rigidità è nulla e, conseguentemente, in esse le onde S non si possono propagare (il nucleo esterno fluido della Terra fu scoperto proprio in tal modo).

Nel caso delle onde P (e della componente longitudinale delle onde di Rayleigh) la velocità dipende non solo dalla rigidità, ma anche da un'altra proprietà elastica del mezzo: la sua incomprimibilità, rappresentata dal modulo di incomprimibilità o incompressibilità, che esprime la resistenza di un corpo a variazioni di volume quando è sottoposto ad un carico, cioè ad una pressione.

Il materiale freddo è in genere più rigido e meno comprimibile di quello caldo e quindi le onde sismiche attraversano più rapidamente le zone fredde dell'interno della Terra. Il materiale caldo, a sua volta, ha una densità relativamente bassa ed in genere è associato al flusso ascendente del mantello, mentre il materiale freddo sprofonda perché è più denso di quello circostante.

Proprietà del mezzo e velocità delle onde

La velocità delle onde dipende anche da una proprietà di piccola scala del mezzo: l'orientazione dei cristalli del materiale. Nei cristalli dei minerali che costituiscono il mantello, la rigidità varia secondo la direzione degli assi: le onde si propagano più velocemente lungo l'asse di maggiore rigidità. Se in una vasta area gli assi cristallografici lungo i quali si ha la massima velocità di propagazione vengono a trovarsi allineati, le onde la cui polarizzazione (direzione di vibrazione) o la cui direzione di propagazione è parallela a tali assi saranno accelerate. Così la velocità delle onde sismiche può dare informazioni indirette sull'andamento della circolazione nel mantello.

La velocità di un singolo raggio sismico, stimata in base al tempo di arrivo ad una stazione sismica, è ovviamente una velocità media calcolata sull'intero percorso del raggio e non rivela dove l'onda è stata rallentata o accelerata. Inoltre, spesso la velocità media è calcolata su lunghe distanze perché vaste aree della Terra (come gli oceani) sono prive di stazioni sismiche.

Per trarre conclusioni su proprietà come densità e temperatura all'interno della Terra è necessario combinare le informazioni ottenute da molti raggi e quanto maggiore è il numero... (contenuto troncato)