La struttura del pianeta Terra: crosta, mantello e nucleo

Nel XIX secolo i geologi iniziarono a capire che la Terra era costituita da 3 strati, che dall’esterno verso l’interno sono:

Crosta;
Mantello;
Nucleo.

Queste conoscenze, pur essendo un importante traguardo, erano ancora troppo riduttive e non riuscivano a rispondere a domande su spessori o composizioni dei singoli strati. Quindi col tempo, i geoscienziati capirono che lo studio dei terremoti poteva permettere loro di dare delle risposte. Ma andiamo con ordine…

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I terremoti come prove

Un terremoto (dal latino Terrae motus – moto della terra) è un fenomeno che comporta scuotimento del terreno con propagazione di energia sotto forma di onde sismiche. Generalmente i terremoti avvengono quando una roccia si “rompe” in corrispondenza di una faglia, superficie lungo la quale si può avere scorrimento, ma non solo; eventi sismici possono essere associati anche a:

esplosioni vulcaniche;
frane;
impatti meteorici;
scorrimento lungo una faglia già esistente;
esperimenti nucleari sotterranei.

Il punto all’interno della Terra in cui avviene la propagazione di energia prende il nome di Ipocentro, il suo corrispettivo superficiale lungo la verticale viene definito Epicentro.

La velocità con la quale si propagano le onde sismiche non sono tutte uguali, ma subiscono brusche variazioni in corrispondenza di zone che vengono chiamate superfici di discontinuità, poste ad una certa profondità.

Siccome le discontinuità indicano un cambiamento della natura del materiale che costituisce il pianeta, questo ha permesso di tracciarne i vari strati.

Suddivisione su base composizionale

Sulla base di quanto appena detto, la Terra è costituita da:

La Crosta

Si tratta della porzione più esterna della Terra, suddivisibile in due tipologie: continentale ed oceanica. La prima generalmente si trova al di sotto dei continenti, la seconda al di sotto degli oceani. Tuttavia può succedere che porzioni di crosta continentale si trovino al di sotto di oceani.

È quindi importante sapere che gli oceani (geograficamente parlando) non sono costituiti in ogni caso completamente da crosta oceanica (geologicamente parlando).

Passiamo ora alle caratteristiche salienti:

Spessori: la crosta continentale può essere spessa fino a 70 km (in media 40 km), mentre quella oceanica 10 km (in media 7 km);
Composizione: la crosta continentale è costituita da Andesite (roccia ignea effusiva con un contenuto di SiO₂variabile dal 57% al 65%), mentre la crosta oceanica è costituita da Basalto (roccia ignea effusiva con un contenuto di SiO₂variabile dal 45% al 63%);
Densità: la crosta continentale ha valori pari a 7 g/cm³, quella oceanica 3 g/cm³;
Età: la crosta continentale più antica ha 4 miliardi di anni, mentre quella oceanica si ferma a 180 milioni di anni fa (ci troviamo nel Giurassico, il periodo dei dinosauri!). Come mai quest’ultima è così “giovane”? La risposta è nella teoria della Tettonica delle placche…

Sheepeater cliffs di Yellowstone, basalti colonnari (Credit: Alex Streckeisen).

È intuitivo capire che la crosta continentale possiamo osservarla in dettaglio da vicino, andando in campagna a studiare gli affioramenti rocciosi. Eppure la stessa cosa non si può dire della crosta oceanica. Quindi ci viene in soccorso la Geofisica, che sfruttando indagini dette appunto indirette, ci permette di avere molte informazioni su zone che ci risulterebbero inaccessibili.

L’unica eccezione che ci consente di poter studiare come è fatta la crosta oceanica sono le sequenze ofiolitiche, “pezzi” di crosta oceanica affioranti (un esempio è il complesso del Troodos, sull’isola di Cipro).

Il Mantello

È separato dalla crosta dalla discontinuità di Mohorovičić, detta brevemente Moho (dal nome dello scienziato che la scoprì), una zona caratterizzata da un aumento di velocità delle onde sismiche in particolare delle onde P, dette prime perché più veloci. Composizionalmente parlando è costituito da Peridotite (una roccia ultrabasica, costituita da una bassa percentuale in SiO₂, ~ 45%). Il mantello ha una densità di 3,3 g/cm³ ed uno spessore di 2885 km suddivisibile in:

Mantello superiore (fino a 400km di profondità);
Zona di transizione (da 400km a 670km);
Mantello inferiore (da 670km al confine nucleo-mantello).

La temperatura, sebbene aumenti con la profondità, può variare anche da zona a zona del mantello, anche alla stessa profondità. Siccome alla variazione di temperatura corrisponde una variazione di densità, il mantello più caldo è meno denso e tende a salire, mentre quello più “freddo” aumenta di densità e tende a scendere. Questo crea delle vere e proprie celle convettive.

Il Nucleo

Situato nella parte più interna del pianeta, il nucleo va da 2885 km a 6371 km ed è costituito da una lega metallica composta da Fe, con quantità minori di O, Ni, Si e S. È divisibile in:

Nucleo esterno, allo stato liquido e con una densità che va da 10 a 12 g/cm³;
Nucleo interno, allo stato solido e con una densità pari a 13 g/cm³ ed ha una temperatura superiore ai 4300 C°.

Come mai il nucleo esterno e quello interno si trovano in uno stato fisico differente?

Sebbene il nucleo interno è più caldo rispetto a quello esterno, si presenta allo stato solido perché è sottoposto ad altissime pressioni e si trova a profondità maggiori rispetto al nucleo esterno. Questo comporta che, a causa della pressione elevata, gli atomi non sono liberi di muoversi e si dispongono in modo talmente “compatto” rendendo il materiale molto denso.

Suddivisione della Terra su base composizionale.

Suddivisione della Terra su base reologica

C’è però un altro tipo di suddivisione della Terra, su base reologica. La Reologia (dal greco ῥέω, reo, che significa “scorrere” e λογία logìa, ossia “teoria”) è quella scienza che si occupa dello studio della risposta di un corpo deformatosi in seguito a sforzo.

Detto ciò, sulla base della risposta che la roccia fornisce se sottoposta a sforzo, si distingue:

Litosfera: costituita da crosta terrestre e parte più superficiale del mantello. Rappresenta la porzione rigida (reologicamente parlando), che si muove sullo strato sottostante nell’arco di tempi geologici (milioni di anni). Analogamente a quanto avviene per la crosta, anche la litosfera può presentare spessori differenti: sotto i continenti 100/150 km, sotto gli oceani 80/100 km;
Astenosfera: la porzione immediatamente sottostante la litosfera, costituita da rocce allo stato fuso.
Suddivisione della Terra su base reologica.

Maria Modafferi