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Nuove scoperte sulla struttura interna della Terra

tempo di lettura: 6 minuti

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livello elementare

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ARGOMENTO: GEOLOGIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: STRUTTURA DELLA TERRA
parole chiave: Nucleo, mantello, zone di velocità ultra bassa

 

Come è fatto l’interno del nostro pianeta? Una domanda non semplice da rispondere in quanto la Terra non ha una struttura omogenea ed i suoi strati variano in relazione sia delle diverse proprietà chimiche delle rocce sia delle deformazioni che subiscono. In generale, il nostro pianeta ha una crosta esterna solida composta da silicati, un mantello estremamente viscoso, un nucleo esterno liquido (molto meno viscoso del mantello) ed un nucleo centrale solido.

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Rappresentazione pittorica, non in scala,  della struttura_interna_della_Terra, dalla crosta al nucleo – modifica dell’originale effettuata da Fulvio314 da https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth-crust-cutaway-english.svg Earth-crust-cutaway-it – Struttura interna della Terra – Wikipedia

Volendo essere più precisi, partendo dal nucleo (che ha un raggio di circa 1200 km), troviamo il nucleo esterno (fino a circa 2300 km), una zona dove lo spostamento di materia avviene per movimenti del materiale fluido e caldo (convenzione), ed una zona di subduzione, il mantello, l’astenosfera, la litosfera, il mantello superiore, la crosta oceanica e infine la crosta continentale. Piuttosto complicato non solo per i non addetti ai lavori ma anche per i geologi che studiano le differenti strutture.

Tra di esse esistono delle zone geologiche, dette zone a velocità ultra bassa (ULVZ), particolarmente anomale all’interno della Terra. Un recente studio, pubblicato su Science Advances, ha reso noto di aver individuato ULVZ variabili e diffuse lungo il confine nucleo-mantello (CMB) al di sotto di una porzione ancora in gran parte non campionata dell’emisfero australe. In particolare, sono state scoperte delle variazioni assolute delle proprietà fisiche (ad esempio, temperatura, densità e viscosità) dal mantello al nucleo maggiori di quella tra roccia solida ed aria. 

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Fig. 1. Precedenti studi ULVZ e strutture del mantello più basse. (A) Mappe che mostrano le posizioni lungo il confine nucleo-mantello (CMB) di precedenti indagini ULVZ e scattering di onde sismiche (1, 6) sia nella vista globale (a sinistra) che nell’emisfero australe (a destra). Le aree contrassegnate in oro indicano le regioni in cui sono state trovate prove di ULVZ; quelli delineati in blu indicano regioni in cui non è stato osservato ULVZ e quelli delineati in rosso indicano regioni incerte. L’ombreggiatura rosa indica gli LLVP (61) e i punti verdi indicano gli scatter sismici (6). (B) Cartone animato che evidenzia sia la risalita (LLVP) che la discesa (subduzione) nel mantello inferiore insieme a varie anomalie CMB. UHVZ, zone ad altissima velocità – da studio citato

I ricercatori, utilizzando le onde PcP [1] riflesse dal nucleo esterno e registrate dal Transantarctic Mountains Northern Network (TAMNNET), un array sismico a banda larga composto da 15 stazioni dispiegato in Antartide dal 2012 al 2015, nonché simulazioni geodinamiche, hanno valutato la presenza e la variabilità delle zone a velocità ultra bassa (ULVZ) e come si relazionano a scenari mineralogici plausibili, ipotizzando che vi sia una forte evidenza di queste zone distribuite a livello globale ma eterogenee in tutto il mantello profondo della Terra.

In parole semplici, potrebbe esistere un enorme strato che circonda gran parte, se non tutto, il nucleo esterno. Questo strato sottile e denso, che potrebbe comprendere l’intero confine nucleo-mantello, si troverebbe a circa 2.000 miglia (3.200 chilometri) sotto la superficie terrestre, tra il nucleo ed il mantello.

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In questa rappresentazione, le onde sismiche dei terremoti nell’emisfero australe campionano la struttura ULVZ lungo il confine nucleo-mantello della Terra e vengono registrate dai sensori in Antartide – credito Dr. Edward Garnero e Mingming Li dell’Arizona State University

Allo stato attuale circa il 20% del confine nucleo-mantello è stato studiato per identificare queste zone ULVZ che non sono però state identificate ovunque ma hanno scoperto che lo spessore varia, a seconda della posizione, da circa 5 a 50 km di spessore. Questo antico strato probabilmente si sviluppò quando le placche tettoniche della Terra si spostarono, causando il trasporto di materiale oceanico all’interno del pianeta nelle zone in cui due placche si scontrano ed una tende ad immergersi sotto l’altra. Nel corso del tempo accumuli di materiale oceanico subdotto si sono raccolti lungo il confine nucleo-mantello e sono spinti dalla roccia che scorre lentamente nel mantello.

Secondo i ricercatori, la presenza di ULVZ potrebbe essere spiegata dall’esistenza di ex fondali oceanici sprofondati fino al confine nucleo mantello. In pratica il materiale oceanico venne trasportato all’interno del pianeta dove due placche tettoniche si incontrarono e, per effetto della subduzione, una incominciò a scivolare sotto l’altra. Gli accumuli di materiale oceanico subdotto potrebbero quindi essersi raccolti lungo il confine nucleo-mantello ed essere stati spinti dalla roccia che scorreva lentamente nel mantello nel corso delle ere geologiche. Questo spiegherebbe la distribuzione e variabilità di tale materiale risultante dalla gamma delle ULVZ osservate che possiamo immaginare come delle montagne lungo il confine nucleo-mantello, con altezze che vanno da pochi chilometri a decine di chilometri; per capirci fino a 5 volte più alte del Monte Everest.

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Fig. 2. Stazioni ed eventi. (A) Stazioni Tamnnet (triangoli rossi) con nomi di stazione corrispondenti. La posizione di questa mappa in relazione al resto dell’Antartide è mostrata dal poligono rosso all’inserto (in alto a sinistra). (B) I 227 eventi (punti neri) registrati dalle stazioni Tamnnet (poligono rosso) utilizzate per studiare la struttura ULVZ sotto l’emisfero meridionale. Le linee grigie indicano i percorsi Ray-Ray di sorgente PCP e i punti viola indicano i punti di riflessione CMB (rimbalzo) PCP. (C) Stessi punti di rimbalzo PCP mostrati in (b) sovrapposti al modello di tomografia dell’onda P (ΔVP) di Hosseini et al. (62) a una profondità di 2.800 km – da studio citato

Le ricadute sono molte; innanzitutto queste zone potrebbero svolgere un ruolo importante nel modo in cui il calore fuoriesce dal nucleo, influenzando quindi anche il campo magnetico terrestre. In alcune aree potrebbero spingersi fino alla superficie alimentando fenomeni vulcanici nei punti caldi vulcanici, ad esempio in aree come nelle Hawaii.

I primi risultati sono promettenti ed i ricercatori prevedono di approfondire il proprio studio esaminando i dati raccolti da tutte le stazioni sismiche disponibili in Antartide.

 
 

Note
[1] Le onde sismiche, sulla base dei loro tempi di percorrenza dalle sorgenti sismiche, sono caratterizzate da lettere per designare il tipo di onda lungo le diverse porzioni del loro percorso. Le lettere P e S si riferiscono alle onde P (Primae) e alle onde S (seconde) che non viaggiano attraverso il nucleo terrestre. In particolare, secondo wikipedia, le Onde P sono onde compressionali, dette anche onde longitudinali e sono simili alle onde acustiche, corrispondendo a compressioni e rarefazioni del mezzo in cui viaggiano; al loro passaggio le particelle del materiale attraversato compiono un moto oscillatorio nella direzione di propagazione dell’onda. Le Onde S sono invece trasversali e provocano, nel materiale attraversato, oscillazioni perpendicolari alla loro direzione di propagazione. Un’importante caratteristica di queste onde è che non possono propagarsi in mezzi fluidi, per cui non è possibile dunque riscontrarle nel magma presente nel serbatoio magmatico di un vulcano o nel nucleo esterno della Terra. Questa caratteristica è stata storicamente molto importante per gli studi geofisici riguardanti la composizione in profondità della terra. Per quanto concerne K e I esse sono riferite solo alle onde P, che viaggiano rispettivamente attraverso il nucleo e il nucleo interno. La lettera J si riferisce invece alle onde S che sono generate dalla conversione delle onde P incidenti al confine tra il nucleo interno ed esterno e che viaggiano all’interno del nucleo interno solido. Man mano che si propagano verso la superficie terrestre, le onde J vengono riconvertite in onde P al limite interno del nucleo. Una ripetizione delle lettere (es. PP, SS) indica che le onde sono state riflesse sulla superficie terrestre; la riflessione sul bordo esterno del nucleo è indicata dac” (ad es. PcP, PcS). Ad esempio, l’onda PcP viaggia dalla superficie fino al bordo esterno del nucleo e ritorna in superficie.

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Riferimenti
studio in riferimento: Globally distributed subducted materials along the Earth’s core-mantle boundary: Implications for ultralow velocity zones | Science Advances

S. Yu, E. J. Garnero, Ultralow velocity zone locations: A global assessment. Geochem. Geophys. Geosyst. 19, 396–414 (2018)

Q. Williams, E. J. Garnero, Seismic evidence for partial melt at the base of Earth’s mantle. Science 273, 1528–1530 (1996)

J. G. Berryman, Seismic velocity decrement ratios for regions of partial melt in the lower mantle. Geophys. Res. Lett. 27, 421–424 (2000)

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