L'interno della Terra

Lo studio dell'interno

Per ricavare informazioni sulla composizione e sulla struttura interna della Terra non possiamo procedere con un'indagine diretta, poiché i pochi chilometri esplorabili attraverso le miniere o le stratificazioni sedimentarie delle catene montuose, sono nulla se paragonati ai 6371 km del raggio medio terrestre.
Per questo motivo ci si serve di analisi indirette, come quelle effettuabili dallo studio dei meteoriti, che presentano analoga composizione a quella della Terra, se si suppone che derivino dalla medesima nebulosa originaria con cui si sono formati i pianeti del Sistema Solare.
Il campo gravitazionale ci dice che se la densità della Terra fosse uniforme, e simile a quella delle rocce presenti in superficie, la forza di gravità sarebbe soltanto la metà di quella esistente. È necessario quindi ammettere che all'interno della Terra ci sono materiali molto più densi delle rocce che conosciamo in superficie.
Molto importanti sono le informazioni che si ricavano dalla sismologia, che studia le modalità di propagazione delle onde sismiche all'interno della terra. Poiché le onde modificano la loro velocità in base alla densità del mezzo che attraversano, possono essere riflesse, rifratte o bloccate (nel caso delle onde trasversali), è possibile ricostruire la struttura dell'interno terrestre.

Gli strati della Terra

Gli strati della Terra.
A. LETIZIA, Scienze della Terra, Zanichelli, Bologna 2014, p. 18.

 

Discontinuità sismiche all'interno della Terra

Discontinuità della Terra, disegnoL'esame dei dati ricavati dai terremoti ha permesso di individuare una serie di strati concentrici all'interno della Terra. Infatti, in tre aree precise, che costituiscono delle vere e proprie superfici di discontinuità, ci sono dei repentini cambiamenti di velocità e direzione delle onde sismiche, mentre all'interno di ciascuno strato i cambiamenti sono abbastanza graduali.

La prima discontinuità si trova ad una profondità media di circa 30 km, con valori compresi tra i 20 e 80 km sotto i continenti, e 4 - 10 km sotto i bacini oceanici. In alcune aree oceaniche particolarmente instabili è situata a 1 km di profondità, mentre sotto l'Himalaya è a circa 90 km. Questa superficie di discontinuità è chiamata discontinuità di Mohorovicic, o più semplicemente Moho. La zona sopra la Moho è chiamata crosta, mentre quella al di sotto è rappresentata dal mantello.

Il mantello si estende fino a 2900 km, quando incontra una nuova superficie di discontinuità: la discontinuità di Gutenberg. Le onde sismiche arrivano in ogni parte della Terra, ma quelle trasversali si fermano in questo strato, generando una zona d'ombra che si trova a una distanza sempre costante dall'epicentro, con un angolo compreso tra 103° e 180°. Questo significa che la zona sottostante deve trovarsi allo stato fuso.

La terza superficie di discontinuità, la discontinuità di Lehmann, che si trova a circa 5.100 km di profondità, suddivide in due parti lo strato più interno della Terra, il nucleo, individuando il nucleo esterno e il nucleo interno.

 

Gli strati della Terra ricavati dalle onde sismiche.
A. BOSELLINI, Tettonica delle Placche, Italo Bovolenta, Ferrara 2012, p. D3.

 

La crosta

La crosta è la parte più esterna della Terra e presenta caratteristiche diverse nei continenti e nei bacini oceanici.

La crosta terrestre

La crosta terrestre.
E. LUPIA PALMIERI, M. PAROTTO, Il globo terrestre e la sua evoluzione, Zanichelli, Bologna 2012, p. 149.

La crosta continentale, che comprende la superficie dei continenti e la piattaforma continentale fino alla scarpata, presenta uno spessore medio di 30 - 40 km, ma può superare gli 80 km sotto le grandi catene montuose, con una densità media di 2,7 g/cm3.
La parte più superficiale è formata principalmente da rocce acide ricoperte da uno spessore variabile di sedimenti. Subito sotto si trovano diversi tipi di rocce magmatiche, sedimentarie o metamorfiche, che indicano i differenti tipi di attività e le intense deformazioni che si sono succedute a partire da circa 4 miliardi di anni fa.
Più difficile stabilire la composizione della parte più interna della crosta, in quanto non è raggiungibile direttamente. Si suppone che, a causa della pressione e della temperatura assai elevate, le rocce abbiano subito intensi processi metamorfici, e presentino una composizione simile a quella della crosta oceanica, con densità di circa 3 g/cm3.

La crosta oceanica ha uno spessore di 6 - 8 km, con una composizione più basica rispetto alla crosta continentale, una densità più elevata, che si aggira intorno ai 3 g/cm3, ed è abbastanza giovane, non raggiungendo i 200 milioni di anni.
Lo strato più superficiale è formato da sedimenti oceanici con spessore variabile da 0 a 3 km; lo strato centrale è formato da basalto con uno spessore medio di 1,5 km e una struttura a cuscini, mentre quello più profondo è costituito da gabbro, quindi della medesima composizione dello strato precedente ma solidificatosi molto più lentamente, con uno spessore di circa 5 km.

Crosta continentale e oceanica

Crosta continentale e oceanica.
A. BOSELLINI, Tettonica delle Placche, Italo Bovolenta, Ferrara 2012, p. D15.

 

Il mantello

Il mantello si estende da 30 a 2900 km di profondità, ed è probabilmente costituito da una roccia ultrabasica ultrabasica di olivine e pirosseni (silicati di ferro e magnesio), la peridotite, più rigida e più densa del gabbro e del basalto. Esso può essere suddiviso in due parti: il mantello superiore, fino a circa 700 km, e il mantello inferiore, fino alla discontinuità di Gutenberg.
Le onde sismiche hanno individuato un'ulteriore suddivisione del mantello superiore. Subito sotto la Moho c'è il mantello litosferico, molto rigido e denso.
Tra i 70 e i 200 km si trova uno strato a bassa velocità o L.V.L. (Low Velocity Layer), dove le onde rallentano probabilmente a causa di una fusione parziale della peridotite.
Dopo i 400 km, le onde aumentano rapidamente la velocità, forse perché l'elevata pressione litostatica produce un addensamento dei minerali, siamo nella zona di transizione, dopo la quale inizia il mantello inferiore.
Nel mantello la temperatura sale progressivamente con la profondità, fino a raggiungere i 3000°C, così come aumenta la pressione (da 9 a circa 1.400 kbar) e la densità (da 3,3 a 5,6 g/cm3).

Mantello e nucleo

Mantello e nucleo.
A. BOSELLINI, Tettonica delle Placche, Italo Bovolenta, Ferrara 2012, p. D4.

 

Il nucleo

A 2.900 km di profondità si trova il nucleo, che le onde sismiche evidenziano suddiviso dalla discontinuità di Lehmann in: nucleo esterno, allo stato fuso, con un raggio di circa 2270 km; nucleo interno, rigido ed elastico, dello spessore di 1200 km, con una temperatura prossima al punto di fusione, ma che si comporta come un solido per l'elevatissima pressione.
Si suppone che il nucleo sia composto essenzialmente di ferro, di cui il 5% legato al nichel, ma con alcuni elementi più leggeri come ossigeno, silicio e zolfo. La densità si ricava indirettamente conoscendo la densità media della Terra e quella della sua superficie, e si aggira attorno a 10 - 12 g/cm3. Siccome gli elementi, come il ferro, in superficie hanno una densità inferiore, si pensa che valori così elevati siano dovuti all'altissima pressione litostatica.

Nucleo

Le onde sismico rivelano la presenza del nucleo esterno fuso.
A. BOSELLINI, Tettonica delle Placche, Italo Bovolenta, Ferrara 2012, p. D12.

 

Ci sono due ipotesi per spiegare la formazione del nucleo, ciascuna con pregi e difetti.

  • La prima ipotesi suppone che la Terra fosse già in origine stratificata, con un nucleo ferroso fuso, il primo a formarsi, che generava un campo magnetico, come si può rilevare dalla magnetizzazione di rocce molto antiche. Quest'ipotesi non spiega però perché altri ossidi non si siano solidificati insieme al ferro e non si trovino nel nucleo.
  • La seconda ipotesi afferma invece che all'origine la Terra era di composizione omogenea, e solo in seguito gli elementi pesanti, come il ferro e il nichel, sarebbero sprofondati, mentre i silicati, più leggeri, si ponevano in superficie. Non si spiega, tuttavia, come da una nebulosa originariamente eterogenea si sarebbe formato un pianeta a composizione omogenea.

Precipitazione del ferro

L'origine della stratificazione.
A. BOSELLINI, La Terra dinamica, Bovolenta, Ferrara 2009, p. B9.

 

Litosfera e astenosfera

Utilizzando la differenza di stato fisico, invece che quella di composizione, si possono distinguere i seguenti strati: litosfera, astenosfera, mesosfera e nucleo.
La litosfera è lo strato più superficiale mobile, rigido ed elastico della Terra, che comprende la crosta e il mantello superiore (mantello litosferico). Ha uno spessore di circa qualche chilometro sotto i bacini oceanici e 110 - 130 km sotto i continenti.

Sotto la litosfera c'è uno strato che termina a 200 km di profondità, dal comportamento più plastico, l'astenosfera, in cui le rocce, della stessa composizione del mantello litosferico, si troverebbero allo stato parzialmente fuso.

All'astenosfera segue la mesosfera, che termina a 2.900 km, dove si trova il nucleo terrestre.

Stratificazione in base al criterio chimico (a sinistra) e fisico

Stratificazione in base al criterio chimico (a sinistra) e fisico.
A. BOSELLINI, La Terra dinamica, Bovolenta, Ferrara 2009, p. B11.

 

Il principio dell'isostasia

IsostasiaL'isostasia è il principio secondo cui i grandi blocchi di crosta, oceanica o continentale, si pongono in equilibrio gravitazionale secondo la loro densità e il loro spessore (applicazione del principio di Archimede alle rocce). In altre parole, poiché i blocchi di crosta presentano una differenziazione laterale di composizione e spessore, tendono a comportarsi come dei corpi in galleggiamento sulla zona sottostante, che assume un comportamento plastico, per cui si elevano o sprofondano rispetto alla linea di galleggiamento.
La crosta oceanica è più sottile e densa, perciò emerge poco, mentre le catene montuose, meno dense e più spesse, sporgono maggiormente dal mantello. Quanto più la montagna è alta, tanto più ha radici profonde, come dimostra anche la disposizione della Moho. Man mano che la montagna si erode, per riequilibrare il peso si solleva progressivamente, mentre dove si accumulano sedimenti si ha un abbassamento della Moho.
Un esempio di questo fenomeno è verificabile nella Scandinavia, nel Canada e nella Groenlandia. Queste aree, durante l'ultima glaciazione hanno subito un abbassamento dovuto al peso del ghiaccio accumulatisi. Al ritorno di un clima più caldo il ghiaccio cominciò a sciogliersi e le zone si sollevarono progressivamente. Il fatto è dimostrato dalla presenza di linee di costa che oggi si trovano a diverse quote.

 

Isostasia.
E. LUPIA PALMIERI, M. PAROTTO, Il globo terrestre e la sua evoluzione, Zanichelli, Bologna 2012, p.165
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A. BOSELLINI, Le Scienze della Terra e l'universo intorno a noi, Bovolenta, Ferrara 1998, p. 104.