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 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-P

• Onde di taglio.

• Velocità f della densità della roccia.

• ½ velocità onde P.

• Attraversano solo solidi.

Onde-S

• Viaggiano all’interfaccia aria-roccia, analogo alle onde in acqua.

Onde di superficie

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-Spinello-Perovskite)

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.