Struttura Interna della Terra: Discontinuità e Modelli Geologici

Informazioni fornite dai terremoti

La velocità di propagazione delle onde sismiche all'interno della Terra subisce cambiamenti graduali; a volte, bruschi cambiamenti di questi sbalzi sono chiamati discontinuità.

La velocità alla quale le onde sismiche viaggiano dipende da due fattori: la composizione dei materiali che attraversano e lo stato fisico di questi materiali.

Le discontinuità sono utilizzate per dividere gli strati in cui è ripartito l'interno della Terra.

Discontinuità principali e loro interpretazione

• Discontinuità di Mohorovicic, o Moho: È stata la prima discontinuità significativa descritta. Si trova a una profondità di circa 25-70 km nei continenti e tra 5 e 10 km negli oceani. Questa discontinuità è usata per differenziare il sottile strato superficiale, chiamato crosta, dallo strato che si trova sotto di esso, il mantello.
• Discontinuità di Gutenberg: È stata scoperta da Beno Gutenberg e si trova a 2.900 chilometri di profondità. Questa discontinuità separa il mantello dal nucleo della Terra. Poiché le onde S si propagano attraverso tutti i solidi ma non nei liquidi, si può concludere che a 2.900 km di profondità si trovi, per la prima volta, uno strato continuo di materiale fuso.

La discontinuità di Gutenberg permette di stabilire i tre strati che tradizionalmente si distinguono all'interno della Terra: crosta, mantello e nucleo.

Altre discontinuità

Inge Lehmann scoprì che non tutto il nucleo è liquido. Ad una profondità di 5.150 km vi è un netto aumento della velocità delle onde P. Questo salto è interpretato come il risultato di un cambiamento fisico del materiale, che passa dallo stato liquido a quello solido. Questa è nota come discontinuità di Lehmann e serve a differenziare il nucleo esterno (fuso) dal nucleo interno, che è in stato solido.

Tra i 100 e gli 800 km di profondità, la velocità delle onde S e delle onde P presenta fluttuazioni, con diminuzioni e aumenti rapidi. Il più grande di questi cambiamenti si verifica a 670 km ed è utilizzato per differenziare le zone all'interno del mantello superiore.

Altre prove indirette

Temperatura all'interno della Terra

Il valore del gradiente geotermico diminuisce con la profondità. Attualmente si considera che l'aumento di temperatura nel mantello sia di circa 0,5 °C/km. Alla base della crosta, la temperatura deve essere vicina ai 700 °C. Al confine tra il mantello superiore e inferiore, il valore nominale dovrebbe essere di circa 2.000 °C.

La temperatura interna dovrebbe essere sufficiente affinché i materiali costitutivi, soprattutto ferro e nichel, si trovino allo stato fuso nel nucleo esterno e solidificato in quello interno. Nella parte più esterna, la temperatura interna deve essere superiore a 3.800 °C e probabilmente non supera i 5.000 gradi in nessuna zona dell'interno della Terra.

Magnetismo terrestre

La Terra ha un campo magnetico e la sua esistenza sostiene l'idea che il nostro pianeta abbia un nucleo metallico in costante agitazione. La Terra si comporta come una dinamo auto-indotta. In base a tale teoria, il ferro del nucleo esterno fuso circola a causa delle correnti di convezione e della rotazione della Terra generate dal calore interno. Questo movimento fluido di metallo provoca una corrente elettrica che, a sua volta, produce un campo magnetico; in questo modo si alimenta come un alternatore d'auto.

Meteoriti

Sono piccoli corpi celesti che attraversano l'orbita terrestre e cadono sulla sua superficie. La maggior parte proviene dalla fascia degli asteroidi tra Marte e Giove. Con un'età di circa 4.500 milioni di anni (Ma), sono contemporanei alla formazione della Terra stessa, derivando dal materiale da cui si è formato il sistema solare.

Ci sono tre tipi di meteoriti:

• Condriti: Sono fatti di una miscela di minerali come quelli che si trovano nelle peridotiti; rappresentano l'86% del totale.
• Acondriti: Hanno una composizione simile al basalto e rappresentano il 9% del totale.
• Sideriti: Sono costituiti da ferro e nichel, pari al 4% dei meteoriti conosciuti.

Una Terra a strati

La Terra è un pianeta a strati. Questi strati possono essere distinti secondo due criteri:

• Criterio geochimico: Stabilisce gli strati in base alla composizione chimica dei materiali. In questo caso, le diverse aree sono crosta, mantello e nucleo.
• Criterio dinamico: Si basa sul comportamento meccanico che presenta ogni zona dell'interno terrestre. Ciò distingue litosfera, mantello superiore sub-litosferico, mantello inferiore, nucleo esterno e nucleo interno.

Unità geochimiche

• Corteccia (Crosta): È lo strato più esterno e sottile della Terra. Si estende dalla superficie fino alla discontinuità di Mohorovicic. Gli elementi chimici più abbondanti sono O, Si, Al, Ca e Fe.
• Crosta continentale: Ha uno spessore compreso tra 25 e 70 km. È molto eterogenea ed è costituita da rocce poco dense composte essenzialmente di quarzo, feldspato e mica. Nella metà inferiore dominano rocce metamorfiche come gneiss e scisti, tra i quali si trovano grandi ammassi di granito; in superficie sono più abbondanti sedimenti e rocce sedimentarie.
• Crosta oceanica: È molto più sottile, con uno spessore che varia tra 5 e 10 km. È stratificata in tre livelli: uno strato di sedimento superficiale, uno strato di basalto e infine uno strato di gabbro (roccia composta di feldspato e pirosseno). Le rocce della crosta oceanica sono più giovani di quelle della crosta continentale.
• Mantello: È l'area tra le discontinuità di Mohorovicic e Gutenberg. Si estende dalla base della crosta fino a una profondità di 2.900 km. Gli elementi più abbondanti nel mantello sono O, Si, Mg e Fe. È composto da peridotite, una roccia simile a quella più abbondante nei meteoriti (le condriti), composta da olivina e pirosseno.
• Nucleo: È l'area centrale del pianeta, situata sotto la discontinuità di Gutenberg. La sua alta densità, il comportamento delle onde sismiche e il ruolo nella creazione del campo magnetico supportano l'ipotesi di un nucleo composto principalmente di ferro con il 6% di nichel, simile alla composizione delle sideriti.

Unità dinamiche

Si definiscono in funzione delle caratteristiche fisiche dei materiali, come il comportamento meccanico o lo stato fisico.

• Litosfera: È lo strato più esterno e rigido; comprende tutta la crosta e la parte più superficiale del mantello superiore. La litosfera oceanica va da 50 a 100 km di spessore, mentre la litosfera continentale varia tra 100 e 200 km.
• Mantello superiore sub-litosferico: È lo strato situato immediatamente sotto la litosfera e raggiunge la discontinuità dei 670 km di profondità. Poiché è una porzione del mantello, la roccia che lo compone è la peridotite e si trova in stato solido. Le elevate pressioni e temperature fanno sì che questi materiali abbiano reazioni diverse in funzione del tempo considerato: in tempi brevi il comportamento è rigido, mentre in tempi geologici molto lunghi il comportamento è plastico e deformabile, simile a un fluido ad alta viscosità. Questo consente la formazione di correnti convettive. Tradizionalmente, questa zona era chiamata astenosfera.
• Mantello inferiore: Comprende il resto del mantello situato tra 670 e 2.900 chilometri di profondità. Anche le rocce del mantello inferiore sono soggette a correnti convettive. Alla base della mesosfera, al confine con il nucleo, si trova lo strato D'': uno strato irregolare e discontinuo con uno spessore tra 0 e 300 km, composto da materiali che, per la loro maggiore densità, sono accumulati sul fondo del mantello.
• Nucleo esterno: Situato sotto il mantello, raggiunge i 5.150 km di profondità. È liquido, agitato da correnti di convezione e svolge un ruolo chiave nella creazione del campo magnetico terrestre.
• Nucleo interno: Mentre il nucleo disperde il suo calore attraverso il mantello, il ferro cristallizza e si accumula sul fondo. Il ferro solido risultante costituisce il nucleo interno.