Crosta, mantello e nucleo

geo-makroseizLe onde sismiche sono onde elastiche che si propagano all’interno della Terra. Come tutti i tipi di onde, la loro velocità dipende dalle caratteristiche del mezzo che attraversano. Se un’onda attraversa una superficie di discontinuità tra due mezzi con caratteristiche elastiche diverse, essa viene in parte riflessa ed in parte trasmessa ma rifratta. Questo ad esempio avviene alla luce quando passa dall’aria all’acqua, mezzi con densità diverse. Se immaginiamo che la densità della Terra aumenti con la profondità dobbiamo pensare che un raggio sismico, definito come la perpendicolare al fronte dell’onda, propagandosi in profondità debba essere rifratto di continuo man mano che la densità aumenta, allontanandosi sempre più dalla verticale fino a tornare verso la superficie. Ciò significa che esistono dei raggi che possono attraversare il pianeta e tornare in superficie portandoci, sotto forma di onde sismiche registrate sui sismogrammi, informazioni dal suo interno.

geo-mohorovicicNel 1909, il geofisico croato Andrija Mohorovicic (1857-1936, a sinistra), analizzando il terremoto di Pokuplje (valle di Kupa, a 40 km a sud di Zagabria) dell’8 ottobre (in alto), individuò particolari arrivi di onde sismiche.

Maggiore è la distanza di una stazione di misura dall’epicentro, maggiore è il tempo impiegato dalle onde sismiche a raggiungerla. Ci si dovrebbe aspettare quindi che, in un grafico spazio-tempo, una linae retta dovrebbe unire i tempi di arrivo con le distanze. Maggiore la pendenza della retta, maggiore la velocità delle onde. I grafici che costruì Mohorovicic usando le onde S perché più ampie e riconoscibili, erano delle spezzate.

geo-seizmogrami

Come spiegarlo? Se ad un tratto le onde passassero in un mezzo a maggiore densità cosa accadrebbe? Come già visto, se un’onda sismica incontra una superficie di discontinuità, viene in parte riflessa ed in parte rifratta. Le onde riflesse, P od S che siano, tornano in superficie con lo stesso angolo con cui hanno inciso la discontinuità e vengono registrate dai sismografi. Le rifratte geo-Onde-rifl_rifrproseguono in profondità deviando dalla verticale con un angolo maggiore di quello di incidenza (se oltre la discontinuità passano in un mezzo più denso). Esiste un angolo di incidenza critico tale che il raggio rifratto è parallelo alla discontinuità; quest’ultima comincerà così ad emettere raggi verso l’alto, con lo stesso angolo di quello incidente (a sinistra, in basso).

In zone relativamente vicine all’epicentro, i primi arrivi ai sismografi sono le onde dirette, quelle che viaggiano quasi orizzontalmente fino alla stazione sismica. Poi arriveranno le onde riflesse dalle superfici di discontinuità. Queste onde viaggiano sempre nello stesso mezzo, a velocità mediamente costante. Le onde critiche che viaggiano lungo la superficie di discontinuità vanno ad una geo-hodokronevelocità maggiore, quella relativa alla densità maggiore di quella superficie. Esisterà una distanza tale alla quale cominceranno ad arrivare insieme alle onde riflesse e poi prima di esse. Questo spiega la spezzata del grafico spazio-tempo e ci permette di calcolare la profondità della discontinuità. Mohorovicic la calcolò a circa 50 km sotto l’attuale Croazia. La discontinuità prese il suo nome in onore dello scopritore, in breve “Moho”. L’aumento di densità è spiegato con una variazione di composizione alla base della crosta, dove comincia quello che viene definito come mantello terrestre (così detto in quanto ricopre il nucleo).

Da dati di superficie e di pozzo sappiamo che la composizione media della crosta continentale è vicina a quella delle rocce granitiche-granodioritiche (ricche in quarzo e silicati di sodio e calcio); la crosta oceanica è più povera in quarzo e ha una composizione media vicina a quella dei basalti (ricchi in silicati di ferro e magnesio). Per quel che riguarda il mantello, rocce provenienti da condotti vulcanici profondi suggeriscono una composizione geo-crostaperidotitica (silicati di ferro e magnesio a basso tenore di silice). La Moho è a circa 30-50 km di profondità. Anche a meno di 10 km al di sotto degli oceani, ma sotto le catene montuose può raggiungere la profondità di 70 km.

Il nucleo

geo-shadow_zoneLe onde P rifratte che risalgono in superficie vengono registrate fino ad una certa distanza dall’epicentro. Da 103° a 143° di distanza angolare non se ne ritrovano più, vi è la cosiddetta “zona d’ombra”. Oltre i 143° le onde P rifratte ricompaiono. Cosa può spiegare questo fenomeno?geo-gutenberg

Nel 1913, il geofisico tedesco naturalizzato americano Beno Gutenberg (1889 – 1961, a destra), che poi collaborerà con Richter alla creazione della scala di magnitudo dei terremoti, ipotizzò che un grosso aumento di densità all’interno della Terra potesse deviare verso il centro i raggi sismici, facendoli “affiorare” in superficie più in là del previsto (figura a sinistra). Gutenberg calcolò che la profondità di questa discontinuità doveva essere 2900 km, più della metà del raggio terrestre (6378-6356 m), che è considerata la superficie del nucleo della Terra e contiene il grosso della sua massa. La discontinuità prese il nome di superficie di Gutenberg. Le onde S invece non vengono trasmesse nel nucleo, o sono molto rallentate. Questa è una cosa che accade nei fluidi. Nell’acqua ad esempio, le onde di taglio né si generano, né si trasmettono: il nucleo della terra deve quindi essere composto di materiale fuso più denso di quello solido sovrastante.geo-lehmann_01

Ma nel 1936 la geofisica danese Inge Lehman (1888 – 1993, a destra) notò che nella zona d’ombra arrivano alcune onde P, anche se deboli. Imputò la cosa alla presenza di un nucleo interno solido, a densità ancora più alta dell’esterno, che deviasse le onde P che lo attraversano fino a farle ricadere nella zona d’ombra (in basso). La discontinuità di Lehman si trova a circa 5100 km di profondità. Onde S generate per interferenza sulla superficie di discontinuità si propagano al suo interno.geo-Lehmann-1 Quindi esso deve essere allo stato solido. Diversi degli elementi chimici conosciuti rispondono alle caratteristiche di densità e alle proprietà elastiche che ammettano questo tipo di propagazione delle onde sismiche, in particolare dei metalli. Per una ipotesi di composizione del nucleo sono stati però scelti i più diffusi nell’universo, tenendo conto in particolare della composizione delle meteoriti, se è vero che sono frammenti di pianeti presesistenti o mai aggregatisi. Le meteoriti conosciute si dividono, guarda caso, in tre gruppi a composizione chimica diversa: due sono molto simili a crosta e mantello della Terra; le altre sono geo-nucleomolto ricche in nichel e ferro, elementi che ben si adattano alle caratteristiche sismiche del nucleo.

Riassumendo, abbiamo tre superfici di discontinuità all’interno del pianeta messe in evidenza dalla sismica. Esse separano zone a composizione, densità e caratteristiche elastiche diverse tra loro, che quindi presentano velocità delle onde sismiche diverse: una crosta superficiale a profondità variabile, meno densa, che poggia su un mantello più denso; un nucleo esterno a comportamento fluido ed uno interno solido, dove si concentra la maggior parte della massa del pianeta (vedi immagine a destra).