La struttura interna della Terra

La struttura interna della Terra
Principi da approfondire
• Onde sismiche e la struttura interna della Terra
(stratificazione, composizione, stato fisico).
• Isostasia ed evidenze.
• Le sorgenti caloriche della Terra e il trasferimento
calorico.
• L’ipotesi sull’origine del campo magnetico della
Terra.
• L’inversione del campo magnetico e le evidenze di
inversioni passate.
Sintesi
• Dedurre la struttura della Terra dalle onde
sismiche:
– Onde-P e onde-S
– Rifrazione e zone di ombra
– Riflessione e stratificazione
• La composizione della Terra:
– Crosta, mantello, nucleo
• Calore e tettonica delle placche:
– Convezione vs. conduzione
– Tomografia sismica
• Il campo magnetico della Terra
– Paleomagnetismo
Onde-P
• Onde compressive (simili ad onde
acustiche).
• velocità variabile f densità della
roccia
• 5.5-7.2 km s-1 velocità media nella
crosta
• 7.8-8.5 km s-1 velocità media nel
mantello
• Onde P attraversano tutti i mezzi
(solido, liquido, aria).
Onde-S
•
•
•
•
Onde di taglio.
Velocità f della densità della roccia.
½ velocità onde P.
Attraversano solo solidi.
Onde di superficie
• Viaggiano all’interfaccia aria-roccia, analogo alle onde in
acqua.
Riflessione e
rifrazione
• La riflessione e la rifrazione
delle onde avviene in
relazione con la comparsa di
contrasti di materiale (limiti
compositivi)
• Come risultato le direzioni di
propagazione variano.
• La nuova direzione dipende
dalla velocità delle onde
sismiche.
• La velocità delle onde
sismiche dipende dalla densità
e dai parametri di elasticità
delle rocce attraversate.
Rifrazione
delle onde-P
• Può essere usata
per dedurre la
struttura alla
grande scala della
Terra.
• L’ombra delle
onde-P indica una
riduzione della
velocità delle
onde P a ~ 2900
km di profondità.
Rifrazione delle
onde S
• Anche essa fornisce
indicazioni per
decifrare la struttura a
larga scala della
Terra.
• L’ombra delle onde-S
indica in effetti che il
limite compositivo a
~ 2900 km e un
limite solido-liquido.
Riflessioni
• Onde vengono riflesse
lungo i limiti
compositivi maggiori
(discontinuità).
• Possono essere usate
per definire la
profondità delle
discontinuità.
Profili di
velocità della
Terra
• Da numerosi
registrazioni sismiche,
è possibile costruire
profili delle velocità
sismiche attraverso la
Terra.
• Maggiori divisioni:
– Crosta
– Mantello
– Nucleo
Crosta
•
•
•
•
•
5- km sotto gli oceani, variabile da 40 km a 75 km sotto i continenti,
Vp ~ 6 – 7 km/s, Vs ~ Vp/2
Crosta continentale: composizione media granitica con base gabbrica.
Crosta oceanica: basaltica (est.) e gabbro (int.)
Velocità delle onde P aumenta a 8 km alla discontinuità crosta
mantello (Mohorovic). L’osservazione di questa variazione ha dato
luogo alla definizione crosta, prima che si fosse scoperta la
variazione compositiva (peridotite nel mantello).
Mantello
• Consiste di peridotite, cioè una
roccia composta da olivina e
pyrosseni.
• Divisione:
- Mantello superiore:
Include la litosfera (placche)
e l’astenosfera (più bassa
velocità sismica per via della
fusione parziale della
peridotite, sorgente dei
magmi basaltici)
- Mantello inferiore:
Più alta velocità sismica
anche se compositivamente
analogo al mantello superiore
(convezione mantellica) ma
minerali di alta pressione (più
densi - (Olivina-SpinelloPerovskite)
Nucleo
• Composto da Ferro +
Nickel e Zolfo,
analogamente ai meteoriti
metallici.
• Il campo magnetico è
generato dalla attività di
dinamo.
• Divisioni:
– Nucleo esterno liquido –
nessuna propagazione delle
onde S.
– Nucleo interno solido –
trasmette onde P ed S.
Temperatura e velocità sismica
• Nel mantello bassa
velocità indica alta T, alta
velocità indica bassaT.
• La disponibilità dettagliata
della distribuzione delle
velocità sismiche consente
una visione tomografica
del mantello. Ovviamente
le sorgenti (terremoti)
sono limitate e i ricevitori
altrettanto (stazione
sismiche).
Limite convergente del Cocus in America Latina
Il campo magnetico della Terra
• È molto potente e si
comporta come una
barra magnetica.
Attualmente il polo
magnetico è inclinato di
11° rispetto il polo
rotazionale geografico.
• Il polo magnetico varia
leggermente rispetto il
polo geografico, ma in
media è allineato con
questo. Si osservano
inversioni periodiche.
Paleomagnetismo
• Negli anni 50-60 geofisici
scoprivano rocce magnetizzate
inversamente rispetto il campo
magnetico attuale. Esempi
provenivano da colate laviche e
da siti archeologici datati
radiometricamente.
• Questa magnetizzazione
termorimanente è l’evidenza
della inversione del campo
magnetico nel passato.
• Attualmente circa metà di tutte
le rocce misurate mostrano un
campo magnetico opposto,
perché in media il campo
magnetico generato per l’effetto
dinamo nel nucleo inverte il
polo N in intervalli regolari ed
equi.
Magnetostratigrafia
• La suscettibilità di rocce incandescenti di registrare il
campo magnetico della Terra durante il
raffreddamento costituisce la base di una tecnica di
datazione per la stratigrafia.
• Immagina colate basaltiche multiple distanziate nel
tempo in un’area. Durante il raffreddamento di
ciascuna colata sarà registrata l’eventuale variazione
di orientazione magnetica del campo della Terra. Se
per altri motivi conosci l’età delle inversioni, allora
conosci l’età delle colate laviche.
“Tempo magnetico””
• È diviso in epoche magnetiche
di ~500.000 anno, ed eventi
magnetici di ~20.000 anni.
• Le inversioni magnetiche
determinate dalle rocce
vulcaniche possono essere
correlate con età
geocronologiche in modo da
fornire un”orologio
paleomagnetico” che va a ritroso
fino a 100 milioni di anni.
Paleomagnetismo
• Particelle magnetiche in
rocce sedimentarie e
vulcaniche si orientano
secondo il campo
magnetico durante la
deposizione e
cristallizzazione.
• Questo da luogo alla
“magnetizzazione
rimanente”
• L’inclinazione del campo
magnetico rimanente è
relazionata alla distanza
meridionale dal polo.
calore per decadimento radioattivio
calore
per fissione
nucleare
Figure 1 e 2: La separazione di un fuso dai minerali circostanti è solo possibile se
l’energia di superficie del fuso è sufficientemente bassa da conferire al fuso una
bagnabilità tale che l’angolo ϴ è inferiore ai 60°. Solo a queste condizioni il fuso
potrà scorrere lungo i limiti granulari. Se invece un fuso non ha queste
caratteristiche, esso potrà separarsi dal resto solo se anche questo viene fuso, se
esiste una immiscibilità dei due fusi e le loro densità sono diverse. A queste
condizioni i due fusi si separeranno per il contrasto di densità. Si suppone che in
questo modo si sia differenziato il nucleo dal mantello terrestre.