La dinamica interna della terra

La Struttura Interna della Terra

La densità media della Terra risulta pari a 5.52 g/cm³. Poiché le rocce della crosta hanno densità media compresa tra 2.7 e 3 g/cm³, l’interno del pianeta deve essere costituito da materiale ad alta densità (N.B. le analisi condotte sono solo indirette dato che l’interno del pianeta è accessibile per circa 12Km dei 6370 totali). Attraverso studi sismografici, si è formulata una teoria secondo la quale la Terra sarebbe costituita da involucri concentrici (crosta, mantello e nucleo), separati dalle superfici di discontinuità sismica, in cui l’onda sismica cambia velocità (per il cambiamento di densità).

– La Crosta

La crosta, la parte più esterna del pianeta, è un involucro rigido e sottile . Il suo spessore è vario: 35km nei continenti, 60-70km in corrispondenza delle catene montuose, 6km nei fondali oceanici.

La sua composizione è eterogenea e la sua densità varia da 2.7 g/cm³ (rocce granitoidi, nei continenti), a circa 3 g/cm³ (rocce basiche, negli oceani). Si conclude con la discontinuità di Mohorovidic o Moho.

– Il Mantello

Il mantello costituisce circa l’82% del volume della Terra e si estende per 2900 km. La pressione aumenta con la profondità a 1400 kbar. Le rocce del mantello sono più rigide (più resistenti a sollecitazioni esterne), perché le onde sismiche, quando le attraversano, aumentano bruscamente di velocità; tuttavia in una fascia compresa tra i 70 e i 250 km di profondità, si trova lastenosfera (<<zona di debolezza>>) dove il materiale del mantello è parzialmente fuso; questa zona, più plastica, è continua sotto le aree oceaniche.

Si pensa che i materiali che costituiscono il mantello siano le peridotiti, rocce ultrabasiche formate da olivina e pirosseni (silicati di ferro e magnesio). Per meglio resistere alle alte temperature, scendendo in profondità, i peridotiti probabilmente assumono una diversa struttura.

L’insieme della crosta e del mantello (compresa lastenosfera) costituisce la litosfera.

Il Mantello si conclude con la discontinuità di Gutemberg.

– Il Nucleo

Il nucleo ha un raggio di 3470km e occupa il 16% del volume della Terra. La pressione è di 3600 kbar; la densità varia da 9.6 g/cm³ fino a 13 g/cm³.

La parte più esterna è fluida, solida quella più interna (separate dalla discontinuità di Lehmann).

Sulla natura del nucleo sono state fatte diverse ipotesi: attualmente geofisici e geochimici sono concordi sulla natura metallica del nucleo, che sarebbe formato da ferro puro, più un 5% di nichel, con qualche elemento meno denso, il silicio e lo zolfo, che giustifichi la densità indicata dai dati sismici.

Il flusso di calore

Il flusso termico terrestre, cioè la quantità di calore emessa nell’unità di tempo per ogni unità di superficie, è molto basso (0.06 W per m²); tuttavia, dal punto di vista energetico il flusso termico produce una quantità enorme di energia. La Terra funziona come un motore termico che sfrutta l’energia cinetica delle particelle emesse dagli isotopi radioattivi, nuclei di atomi con protoni ed elettroni in numero diverso; essi, col tempo, decadono, cioè emettono particelle nucleari, liberando energia, che si trasforma in calore.

Di conseguenza, all’interno del mantello, volumi di rocce profonde, divenute più calde dei materiali circostanti (a causa del decadimento degli isotopi radioattivi), tendono a risalire verso la crosta, con movimenti lentissimi (qualche cm all’anno); invece, i volumi di rocce vicine alla crosta, divenute più fredde, scendono verso il basso, per poi riscaldarsi nuovamente e risalire. Questi ingenti movimenti convettivi hanno profonde conseguenze sulla evoluzione della litosfera.

Campo magnetico

La Terra possiede un campo magnetico, che si può spiegare supponendo di porre al centro della Terra una barra magnetica il cui asse formi un angolo di circa 11° con quello terrestre. Le linee di flusso indicano in ogni punto dello spazio intorno alla Terra una forza magnetica, la cui intensità è inversamente proporzionale con la distanza dal pianeta. Un ago magnetico si dispone parallelamente alla linea di forza su cui si trova, quasi, quindi, in direzione nord-sud (i poli magnetici sono infatti leggermente spostati rispetto ai poli geografici).

In realtà, il fenomeno è più simile a quello di una dinamo ad auto-eccitazione, (si parla, infatti, di geodinamo): il nucleo esterno, di ferro fuso (quindi buon conduttore), si può immaginare agitato dai moti convettivi del mantello, ed è questo ad alimentare il geomagnetismo.

– Paleomagnetismo

Il paleomagnetismo consente lo studio del campo magnetico terrestre nel passato.

Molte rocce conservano una magnetizzazione propria, indotta dal campo magnetico terrestre esistente al momento della loro formazione. Questo fenomeno si verifica quando la lava è in via di raffreddamento: al suo interno, infatti, si formano numerosi cristalli di minerali, alcuni dei quali sono sensibili alla presenza del campo magnetico; tali minerali vengono magnetizzati dal campo geomagnetico e diventano calamite permanenti, con il campo orientato come quello della Terra in quel dato momento; e la lava rimane inalterata per milioni di anni (a meno che non si fonda nuovamente).

Si è scoperto, dunque, che il campo magnetico esiste da circa 3.5 miliardi di anni.

– Nel corso degli anni ’50 alcuni studiosi inglesi osservarono che il verso della magnetizzazione di rocce molto antiche non corrispondeva con quello attuale. Ma, dal momento che rocce diverse, aventi la stessa età, presentavano diverse magnetizzazioni, si capì che non erano stati i poli magnetici a spostarsi, bensì i continenti, scivolando sulla superficie terrestre (mentre i poli erano rimasti all’incirca nella posizione attuale); di conseguenza le rocce, spostandosi, hanno cambiato anche il loro campo magnetico fossile.

– Poiché il campo magnetico fossile di rocce anche recenti mostra verso opposto rispetto a quello del campo magnetico attuale, si è ipotizzato che, in un tempo non troppo lontano, il Polo nord magnetico fosse situato al posto dell’attuale Polo sud magnetico. Si è riscontrata dunque una inversione di polarità: il campo magnetico terrestre è passato alternativamente da normale (come oggi) a inverso. Si è stabilita una scala stratigrafica paleomagnetica divisa in 4 epoche magnetiche all’interno della quale si sono riconosciuti intervalli molto brevi di inversione, detti eventi.

La struttura della crosta

Esistono due tipi di crosta quella oceanica e quella continentale (che comprende la piattaforma continentale e buona parte della scarpata sottostante), molto diversi tra loro per vari aspetti:

– Lisostasia

La crosta terrestre, a causa della sua minore densità media, <<galleggia>> sul mantello e, a seconda del suo spessore, vi affonda di più o di meno. Si definisce isostasia la tendenza della crosta a raggiungere uno stato di equilibrio attraverso il <<galleggiamento>>, e gli aggiustamenti isostatici sono i movimenti verticali con la quale essa reagisce alle modifiche di questo equilibrio.

Per esempio, quando nasce una nuova catena montuosa, lo spessore diventa maggiore e di conseguenza, per il peso, quel settore sprofonda nel mantello di parecchi km; la catena rimane comunque sollevata grazie al sostegno di un grosso spessore di radici, fatte di materiale crostale leggero. L’erosione demolisce la catena montuosa e le radici si riducono, finché lo spessore della crosta non avrà raggiunto il valore di circa 35km.

L’espansione dei fondi oceanici

– La teoria di Wegener

La prima teoria completa e coerente sulla mobilità” della Terra fu proposta nel 1912 da Wegener: circa 200 milioni di anni fa i vari lembi della crosta sarebbero stati uniti in un unico grande continente, la Pangea, circondato da un unico oceano, la Pantalassa; la Pangea si sarebbe smembrata in più parti che si sarebbero pian piano allontanate tra loro secondo un meccanismo noto come la deriva dei continenti:

secondo Wegener le aree continentali dovevano essere zattere di sial (silicio+alluminio, composizione granitica), un materiale rigido, che galleggiavano sul sima (silicio+magnesio, composizione basaltica più densa), al contrario estremamente plastico. I grossi frammenti di crosta sialica, si sarebbero pian piano spostati verso ovest a causa di un ritardo rispetto alla rotazione della Terra.

Lo scienziato tedesco addusse numerose prove alla sua teoria:

·  Prove geografiche: la notevole somiglianza delle linee di costa dell’Africa e dell’America del sud;

·  Prove paleontologiche: la presenza in continenti diversi di fossili di animali incapaci di attraversare l’oceano (Mesosaurus, un rettile d’acqua dolce e Glossopteris, una pianta);

·  Prove paleoclimatiche: riportando su di un planisfero le antiche fasce climatiche, dedotte dall’esame di rocce della fine dellEra paleozoica, W. ne trovò alcune elaborate da ghiacci continentali in Africa occidentale, in Brasile ed in India; viceversa, trovò grandi giacimenti di carbone in Antartide e in Australia. Solo riunendo i continenti nella Pangea e spostandoli più a Sud, le fasce paleoclimatiche riacquistano una disposizione coerente.

W. fu avversato dagli scienziati del suo tempo. Solo negli anni 60 la teoria della mobilità della Terra riacquistò vigore grazie ad una serie di scoperte che riguardavano l’espansione degli oceani.

– Le dorsali oceaniche: espansione degli oceani

Sul fondo degli oceani si snoda un sistema di dorsali, lungo complessivamente 60.000 km, che in alcuni punti arriva ad emergere sulla superficie del mare (Islanda, Isole Azzorre).

La cresta delle dorsali è percorsa da un solco longitudinale (largo circa 10 km e profondo 1500-3000 m) chiamato rift valley che, in corrispondenza di alcuni tratti chiamati faglie, è talmente profonda da congiungere la crosta col mantello. Le faglie trasformi, trasversali rispetto alla rift valley, dividono le dorsali in numerosi segmenti che risultano spostati rispetto a quelli contigui.

Lungo le faglie, risale continuamente magma, proveniente dallastenosfera; giungendo nel mare, solidifica bruscamente in roccia basaltica, assumendo una struttura a cuscino (pillow lava) e formando via via nuovi ammassi di rocce effusive (basalti) ed intrusive (gabbri). La litosfera oceanica, trascinata dai movimenti del mantello, si allontana da entrambi i lati della rift valley, diviene più densa e si abbassa rispetto alla dorsale verso un nuovo equilibrio isostatico, formando così le piane abissali. Questo processo prende il nome di espansione della crosta oceanica.

– Le fosse abissali: subduzione

Le fosse abissali sono delle depressioni, profonde fino a 10.000 m e lunghe migliaia di km.

Ad una certa distanza dalla fossa vi sono degli archi vulcanici, che appaiono come catene montuose, se la fossa costeggia un continente, come archi di isole, se si trova in mare aperto.

All’interno della fossa si trovano delle faglie, collegate con il mantello, in cui avviene il processo di subduzione: parte della litosfera sprofonda e viene progressivamente riassorbita nel mantello. Lattrito prodotto dalla crosta oceanica sulle pareti della fossa si manifesta con una grande attività sismica; la presenza delle faglie è stata scoperta proprio studiando la disposizione degli ipocentri dei terremoti, che permette di individuare una superficie ideale che scende in profondità, il cosiddetto piano di Benioff, formando un angolo di 30°-70° rispetto alla sup. terrestre; la mancanza di al di sotto dei 700km dimostrerebbe che a quella profondità il processo si è concluso.

Tuttavia, parte del materiale della litosfera non viene riciclato nel mantello: il magma prodotto dalla graduale fusione della crosta oceanica, essendo meno denso del materiale circostante, risale a galla alimentando il vulcanismo negli archi corrispondenti alle fosse.

– Anomalie Magnetiche sui fondi oceanici

Studiando il paleomagnetismo delle rocce della crosta oceanica, si sono riscontrate delle anomalie, delle zone, cioè, con magnetismo positivo ed altre con magnetismo negativo, distribuite in fasce parallele alle dorsali. Ne consegue che la crosta oceanica non si è formata tutta insieme; le rocce sono tanto più antiche quanto più ci si allontana da una rift valley (le età si corrispondono simmetricamente rispetto ad essa).

E’ stato, dunque, possibile misurare la velocità del processo nei vari tratti della dorsale, ed è risultata di pochi cm l’anno. L’età massima riscontrata nei fondali oceanici è di 190 milioni di anni.

La tettonica delle placche

Si tratta di una teoria, formulata negli anni 60, che prende in esame il comportamento della litosfera in relazione, rispetto alla quale può muoversi.

La litosfera è costituita da circa una ventina di placche, zolle larghe e piatte di forma irregolare, suddivise dai margini, delle fasce caratterizzate da ingenti fenomeni di sismicità e vulcanismo: si tratta delle dorsali, delle fosse e delle faglie trasformi. I margini sono perciò di tre tipi:

Alla base dunque dei fenomeni di espansione e di subduzione ci sono i movimenti convettivi presenti all’interno del mantello.

Si ripropone il concetto di deriva dei continenti proposto da Wegener: essi vengono trasportati dal movimento delle placche di cui fanno parte, movimento che è a sua volta determinato dallaccrescersi e distruggersi della litosfera oceanica.

– LOrogenesi

L’orogenesi, un processo di intensa deformazione che si manifesta in superficie con il sollevamento di una nuova catena montuosa, è causato dall’interazione delle fosse di subduzione con la litosfera continentale.

Un orogeno può formarsi in tre diverse situazioni:

·  crosta oceanica in subduzione sotto il margine di un continente: un continente che si trova a ridosso di una fossa oceanica non entra in subduzione, perché la litosfera continentale, essendo più densa di quella oceanica, non può sprofondare entro il mantello. La crosta oceanica, allora, si infila sotto il margine continentale che viene quindi deformato per attrito; dalla crosta oceanica vengono strappati via dei sedimenti insieme ai sottostanti basalti: queste masse si saldano stabilmente al margine del continente formando una nuova striscia di crosta continentale; la crosta continentale si ispessisce a causa della risalita di grandi quantità di magma: si solleva allora una nuova catena montuosa longitudinale.

·  collisione continentale: una placca può essere costituita da materiale oceanico e continentale; in questo caso, la fossa di subduzione consuma tutta la crosta oceanica e, terminato il processo, è inevitabile una collisione tra due continenti: i due margini che entrano in contatto vengono deformati e grandi masse rocciose scivolano una sopra l’altra finché non si saldano originando così una catena montuosa trasversale che rimane all’interno di un unico grande continente.

·  accrescimento crostale: si verifica quando frammenti di crosta di varia natura, in origine anche molto lontani tra loro, sono <<incastonati>> in una placca oceanica in progressivo movimento verso una fossa di subduzione. Man mano che arrivano nella fossa, questi frammenti vengono strappati via dalla placca che sprofonda e spinti ad accavallarsi contro il margine del continente lungo cui si trova la fossa (Monatgne Rocciose).

– Il ciclo di Wilson

Le fosse non sono stabili: prima o poi vengono distrutte in un processo di collisione e sostituite da altre fosse. Anche le dorsali hanno forme mutevoli: se i movimenti in atto nel mantello sotto una dorsale si modificano, l’espansione si arresta e la dorsale diviene inattiva e si raffredda, perdendo il suo rilievo. Ma gli stessi movimenti possono far nascere una nuova dorsale. E’ quello che accade quando grandi volumi di materiale caldo arrivano sotto un lembo di litosfera continentale: la litosfera si inarca e si frattura: le grandi spaccature provocano un allineamento di grandi fosse. Dalle spaccature fuoriesce magma che ricopre il fondo delle fosse. E’ lo stadio embrionale di un margine costruttivo. Il sistema di profonde fosse che attraversa l’Africa orientale dallEtiopia al Mozambico, la Great rift valley, viene considerato come un tentativo di formare un nuovo oceano rimasto finora senza seguito.

di Alice