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livello elementare
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ARGOMENTO: GEOLOGIA
PERIODO: 4 MILIARDI DI ANNI FA
AREA: DIDATTICA
parole chiave: costituzione della Terra, mantello, nucleo, superpennacchi
Siamo abituati a considerare il nostro pianeta come una sfera ma, in realtà, la sua forma è ben diversa e potremmo immaginarla più simile ad una “patata bitorzoluta”; questo ha comportato non pochi problemi ai cartografi che nel tempo sono dovuti ricorrere a complicate approssimazioni per poter rappresentare in maniera utile le terre emerse e gli oceani. Se l’esterno della Terra è stato disegnato attraverso complessi calcoli matematici, con geometrie legate a diversi punti geografici di riferimento (almeno fino all’introduzione del GPS) , altra cosa fu la descrizione dell’interno del pianeta.
La forma della Terra ricavata da valutazioni gravimetriche – ESA MATLAB Handle Graphics ESA – Earth Explorers The Earth’s true shape
L’argomento di oggi ci porta proprio nelle profondità della Terra dove le diverse tipologie di rocce si susseguono fino al suo nucleo fuso. Vedremo che esistono differenze sostanziali nei diversi strati di rocce che, sebbene profonde, influenzano la dinamica del pianeta.
Come ricorderete la struttura del nostro pianeta viene descritta nei testi scolastici, in estrema approssimazione, con tre sfere concentriche: lo strato più esterno chiamato crosta, seguito dal mantello e da quello più interno, il nucleo.
struttura interna della Terra, nel disegno il mantello viene suddiviso in superiore ed inferiore trascurando la zona di transizione – Autore Fulvio 314 – Fonte Earth-crust-cutaway-it.svg – Wikimedia Commons
Tralasciando la crosta, il mantello è diviso in tre sezioni basate su risultati forniti dalle misurazioni sismologiche: il mantello superiore (che varia da 33–410 km) o D’, la zona di transizione (410–660 km) detta D’’, ed il mantello inferiore (da 660 a 2891 km) detta D’’’. Se le prime due Sezioni sono meglio spiegabili a causa delle trasformazioni dei minerali che le compongono, dalle analisi sismologiche è emerso che il terzo strato D’’’ mostra un bizzarro cambiamento che rivela che la composizione chimica e l’andamento termico non sono costanti.
Questa “anomalia” è stata riscontrata dall’analisi delle immagini tomografiche che hanno evidenziato spostamenti delle discontinuità geologiche tra 410 km e 660 km di profondità, attorno alle zone di subduzione dove le placche tettoniche si scontrano, causando lo sprofondamento di una placca più densa sotto l’altra. Inoltre, è stata riscontrata una eterogeneità su piccola scala nel mantello inferiore che sembra indicare che il materiale subdotto di fatto penetri nel mantello profondo, implicando la convezione dell’intero mantello. Questo processo geologico è responsabile della frantumazione dell’involucro esterno della Terra (composto dalla crosta e da una piccola porzione di mantello) che genera le placche tettoniche, e della conseguente loro deriva. In altre parole della tettonica delle placche.
Modello numerico della convezione del mantello. In rosso le zone più calde, in blu le fredde. Il calore proveniente dal nucleo provoca l’espansione del materiale e riduce la sua densità consentendone la risalita. Il raffreddamento del materiale alla superficie provoca il suo sprofondamento. Modello numerico della convezione del mantello – Fonte: H. Schmeling, Università di Francoforte Fotografo/Illustratore: H. Schmeling, 2002 Convection-snapshot.png – Wikimedia Commons
Lo studio di questo processo è quindi di particolare importanza nella geodinamica terrestre, la branca della geologia che studia le forze alle quali è sottoposta la Terra evidenziando i mutamenti sia sulla superficie del nostro pianeta che al suo interno. E’ la scienza che ci spiega la genesi dei terremoti continui al qual eil pianeta è sottoposto.
Un passo fondamentale per comprendere le dinamiche interne del nostro pianeta si deve allo sviluppo della tomografia sismica, una tecnica nata negli anni ’70 del secolo scorso, che ha consentito la comprensione della distribuzione delle proprietà fisiche nei diversi strati di roccia (elasticità, anisotropia e densità) che influenzano la propagazione delle onde sismiche. In parole semplici, l’analisi delle propagazioni ha permesso di disegnare, nelle tre dimensioni, l’interno del pianeta, una specie di TAC che ci ha mostrato conn non poche sorprese l’interno della Terra.
Animazione che mostra l’estensione spaziale dei LLSVP basata sull’analisi di clustering effettuata da Cottaar e Lekic (2016). Con clustering si intende un metodo di raggruppare oggetti omogenei (in questo caso minerali) in insiemi (cluster), partendo da quelli più simili, per poi aggiungere progressivamente gli altri più dissimili. La risoluzione dell’analisi di clustering determina una rappresentazione di elementi omogenei in un insieme di dati (blocchi) che fornisce una valutazione statistica degli elementi simili all’interno dei LLSVP, 2017 – Autore: Sanne.cottaar LLSVP.gif – Wikimedia Commons
In particolare, gli studi acustici sul mantello inferiore rivelarono enormi diversità di densità nel mantello tra cui l’esistenza di due LLSVP (acronimo per Large low-shear-velocity provinces) più semplicemente chiamati “superpennacchi”; immaginiamoli come grandi volumi di rocce che si estendono dal confine tra il nucleo ed il mantello – a circa 2.900 chilometri di profondità – spingendosi a circa 1.000 chilometri dalla superficie. Questi due superpennacchi sono chiamati, in relazione alla loro collocazione geografica, LLSVP africano e LLSVP pacifico; per comprendere la loro straordinarietà dobbiamo immaginarci un volume sotterraneo di enormi dimensioni che si estendono lateralmente per migliaia di chilometri ed in verticale per 1000 km. In particolare, quello del pacifico si estende per circa 3.000 km e si innalza di 300 m rispetto al livello del fondale oceanico, al di sopra di quattro punti caldi. Queste zone sono collocate attorno all’equatore, principalmente nell’emisfero australe, e presentano dei confini netti; va compreso che, rappresentando circa l’8% del volume del mantello – ovvero il 6% dell’intera Terra – esse sono coinvolte nei movimenti delle placche in superficie.
Quale potrebbe essere la loro origine?
Sono state proposte diverse ipotesi sulla loro origine e persistenza, a seconda che esse rappresentino discordanze puramente termiche (con la stessa composizione chimica del mantello circostante) o chimiche (con una composizione quindi diversa da quella del mantello circostante). La prima ipotesi, che comporterebbe la formazione di LLSVP in risalita dal mantello lunghi e stretti, sembra essere però contraddetta dalla presenza di pennacchi grandi e larghi. Per cui l’ipotesi più accreditata sembrerebbe che si siano formate a causa dell’accumulo di placche oceaniche subdotte. Ciò troverebbe conferma dalle posizioni dell’accumulo di placche che circondano la LLSVP del Pacifico, formate da zone di subduzione presenti molto prima della dispersione del supercontinente Rodinia avvenuta circa 750 milioni di anni fa. Secondo questa teoria le LLSVP del Pacifico e dell’Africa potrebbero quindi essere state create da emissioni dal nucleo (che ha una temperatura di circa 4.000 K) al mantello sovrastante molto più freddo (2.000 K); la litosfera sarebbe quindi il ”combustibile” che contribuirebbe, o contribuì, a guidare la convezione del superpennacchio.
Posizione della profondità del punto di rottura dei raggi e delle corrispondenti perturbazioni di velocità (b) profilo verticale che attraversa il Pacifico LLSVP e (c) profilo verticale che attraversa la colonna delle Galapagos. da studio Evidence of High-Shear-Velocity Anomalies Inside the Pacific LLSVP,
Riassumendo, secondo le ipotesi più accreditate, questi due enormi “continenti” sommersi, costituiti da calde e dense masse rocciose di composizione chimica diversa, potrebbero essere stati generati dalla migrazione di materiale dal nucleo verso la superficie durante le prime fasi di formazione della Terra.
Quando la Terra incominciò a formarsi, circa 4,6 miliardi di anni fa, esisteva un oceano di magma tra il nucleo ed il mantello che lentamente si raffreddò, facendo migrare i materiali più densi e pesanti verso il basso, mentre quelli meno densi e più leggeri verso l’alto (gli elementi più densi in un fluido tendono a posizionarsi in basso). Grazie all’impiego delle tecniche tomografiche acustiche, attraverso l’analisi delle propagazioni sismiche, sono state identificate delle enormi aree anomale, dette superpennacchi, caratterizzate da composizione chimica e densità diverse. Minerali più leggeri, come silicio e magnesio, rilasciati dal nucleo, si sarebbero poi mescolati con quelli del mantello, impedendo la formazione di strati omogenei netti e formando questi superpennacchi. I geologi ipotizzano che queste enormi masse potrebbero essere quindi legate all’origine e alla dinamica delle placche tettoniche e quindi al vulcanismo che, a sua volta, avrebbe condizionato nelle ere geologiche il clima e di conseguenza l’abitabilità della Terra.
Riferimenti
GR Helffrich, BJ Wood, The Earth’s mantle, Nature, 2021
Rafael Abreu, Mariano S. Arnaiz-Rodríguez and Chahana Nagesh, Evidence of High-Shear-Velocity Anomalies Inside the Pacific LLSVP, Geosciences,2025
Richard Bono, John A. Tarduno and Hans Peter Bunge, Hotspot motion caused the Hawaiian-Emperor Bend and LLSVPs are not fixed, Nature communications, 2019 https://doi.org/10.1038/s41467-019-11314-6
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