Scienze delle Terra: aspetti teorici e aspetti applicati
Aspetti teorici, di base
Aspetti applicati, pratici
• Conoscenza del “Sistema
Terra”
• formazione delle rocce
• formazione delle
montagne, i vulcani
• trasporto dei sedimenti
• Ciclo idrogeologico
geologia generale
2016-2017
• Ricerca di idrocarburi e
minerali utili
• individuazione aree
sismiche, previsione dei
terremoti
• difesa dalle frane,
inondazioni, dalle catastrofi
naturali
geologia applicata/ ambientale
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Le basi della geologia
• I minerali
•
• I vulcani
• L’interno della Terra
•
• I fossili e la
•
stratigrafia
•
Il ciclo delle rocce
(Sedimentarie, magmatiche
metamorfiche)
I terremoti
La tettonica delle placche
L’origine e l’evoluzione
della vita
Il funzionamento del Sistema Terra
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Le applicazione della Geologia
• Frane, alluvioni, erosione delle coste, esondazioni,
tsunami,……gestione del territorio rischio idrogeologico
• Individuazione e gestione delle risorse idriche (falde, sorgenti)
• Inquinamento: metalli pesanti, idrocarburi, mercurio. Nello
spazio e nel tempo
• Ricostruzione dei cambiamenti climatici nel passato (da pochi
anni ai milioni di anni)
• Individuazione e valorizzazione dei luoghi di interesse
geologico (geositi)
• Geoarcheologia
• Petrolio, minerali utili (Fe, Al, Litio, diamanti..)
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Alcuni concetti preliminari
• Concetto di tempo (.e spazio) in
geologia
• Principio dell’attualismo
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Principio dell’Attualismo
James Hutton (1726-1797): The theory of the earth; or an
investigation of the laws observable in the composition,
dissolution and restoration of land upon the globe. Memoria letta
alla Royal Society of Edimburgo nel 1785.
..la storia passata del nostro pianeta deve essere spiegata
attraverso processi che si possono osservare in atto oggi..
Questo concetto andava contro le ipotesi dei catastrofisti
(diluvio universale) e, ovviamente, contrastava l’idea che la terra
fosse stata creata esattamente il 24 ottobre 4004 a.c….come
aveva stabilito l’arcivescovo James Usher a metà del ‘600...
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Attualismo: Charles Lyell (1797 -1875)
• il passato geologico (l’origine delle rocce) poteva
essere compreso meglio in termini di processi naturali
che ancora oggi possiamo osservare, quali
sedimentazione nei corsi d’acqua, erosione eolica ed
idrica, avanzamento o ritiro dei ghiacciai
(ATTUALISMO);
• i cambiamenti sono lenti e costanti
(GRADUALISMO);
• le leggi naturali sono costanti ed eterne, operanti nel
passato con la stessa intensità di oggi.
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Principio dell’Attualismo: eccezioni
• Influenza dei fenomeni biologici sulla composizione
dell’atmosfera. Ipotesi dell’atmosfera riducente: Vapore
acqueo, anidride carbonica, molto meno ossigeno, +
ammoniaca e metano
• 5 milioni di anni fa un meteorite ha causato l’estinzione
dei dinosauri ???
• una singola piena fluviale o una grossa tempesta
modificano la forma dell’alveo del fiume e influenzano la
sedimentazione costiera più dei fenomeni accaduti in 101
– 102 anni
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Dov’è l’errore ??
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Stime dell’età della Terra
Autore
Data
ETA'
minima
ETA'
massima
Metodo
BIBBIA, osservazioni
astronomiche
Ushher J.
1650
4 004
Conte di Buffon
74 832
20 000 000
Philips
1778
1854
1860
Lord Kelvin
1863
20 000 000
Haughton
1878
1889
1892
1893
1897
1899
1900
1909
1931
200 000 000
72 000 000
Spessore serie sedimentarie
28 000 000
Spessore serie sedimentarie
45 000 000
70 000 000 Spessore serie sedimentarie
40 000 000
H. von Helmholtz
Croll
Wallace
Walcott
Lord Kelvin
Joly
Sollas
Sollas
Holmes
96 000 000
20 000 000
Velocità di raffreddamento
40 000 000 ? ?
Spessore serie sedimentarie
Conducibilità termica delle
200 000 000
rocce, misure in miniera
Spessore serie sedimentarie
90 000 000
26 500 000
Quantità di sali negli oceani
80 000 000
Spessore serie sedimentarie
1 600 000 000
Spessore serie sedimentarie
3 000 000 000 Disintegrazione atomica
Attualmente le rocce più antiche conosciute hanno 3.8 Mld di anni
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Ipotesi delle nebulosa
di Kant - Laplace
Nuvola rotante di gas
(H e He)
e polveri cosmiche
Planetesimali
Blocchi di polvere «incollati»
dalla gravità
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Formazione del
Sistema solare
Formazione del protosole: a
1.e6 gradi (1 milione di gradi)
inizia la fusione nucleare: la
trasformazione di Idrogeno in
Elio con emissione di energia
Massa solare: attrazione
gravitativa
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Pianeti interni (piccoli rocciosi) e pianeti esterni
(piccolo nucleo roccioso, poi gas e ghiaccio), Plutone è
una «palla di neve»: metano, gas e rocce
Solo Marte e Venere sembrano geologicamente attivi..NB
ormai è certo Marte è geologicamente attivo
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La formazione della Terra e la sua trasformazione
da corpo omogeneo a pianeta differenziato
• Circa 4.6 miliardi di anni fa: la terra è un agglomerato
di frammenti di materia
• la massa della terra tendeva ad aumentare in quanto,
per le leggi della gravitazione, la terra attirava
planetesimali ovvero piccoli agglomerati di materia in
via di condensazione
• la temperatura della terra tendeva ad aumentare per
tre motivi……
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1) l’impatto di nuova materia sulla superficie trasforma energia
cinetica in energia termica (NB non c’è ancora atmosfera)
2) la compressione gravitazionale
3) la presenza di elementi radioattivi, più frequenti dell’attuale,
erano anche presenti isotopi con tempi di dimezzamenti brevi..
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La formazione della terra
(NB densità dell’intero pianeta: 5.5; densità crosta: 2.7 g/cm3)
Questi tre processi hanno fatto crescere la temperatura
della Terra fino a circa 2000 °C
A questa temperatura il Ferro, che rappresentava
l’elemento più pesante, con una massa pari a circa 1/3
del totale, ha iniziato a fondere, sprofondando verso
l’interno, mentre gli elementi più leggeri tendevano a
risalire:
Successivamente sulla superficie della terra si formò un
oceano di magma fuso, profondo oltre 100 km
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La Terra 4 miliardi di anni fa..
Il raffreddamento del Magma genera la crosta primitiva
DIFFERENZIAZIONE GRAVITATIVA: Nucleo di ferro
molto denso, crosta superficiale leggera, mantello
interposto tra crosta e nucleo, di densità intermedia
Atmosfera: H, CO2, N, NH3, CH4 vapore acqueo e pochi
gas rari..gli stessi gas emessi anche ora dai vulcani..
E l’Ossigeno ..(attualmente il 20% della bassa atmosfera).
era praticamente assente.. Vedi slide 9
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ELEMENTI LEGGERI: Ossigeno, Silicio
Elementi intermedi: Magnesio Alluminio
Elementi pesanti: Calcio, Ferro
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Composizione chimica della terra e della crosta terrestre
A Tutto il pianeta
(crosta + mantello +
2016-2017 nucleo)
B Solo la parte superficiale
(crosta)
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Come facciamo a conoscere
l’interno della Terra ?
• sulla superficie: il geologo è capace di
riconoscere le rocce !!
• sotto la superficie: grotte, miniere, ma la miniera
più profonda ha.. 3.9 km di profondità, mentre il
raggio equatoriale del pianeta è di ?? km
• Sondaggi profondi http://www.icdponline.org/home/
• L’interno della terra: indagini indirette, geofisica
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Le onde sismiche: i sismografi
Rivelatore di terremoti di
Zang Heng 130 d.C.
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Le onde sismiche, strumento di indagine per
l’interno della terra.
• Onde P (prime): onde di compressione e rarefazione
• Onde S (seconde): onde di taglio
• Onde superficiali (quelle che fanno danni, ma non servono
all’esplorazione del Pianeta)
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DUE REGOLE FONDAMENTALI
- La velocità delle onde (sia P
che S) è funzione della rigidità
/ densità delle rocce.
- Le onde P sono rallentate dai
fluidi Le onde S NON passano
attraverso i fluidi
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La struttura
dell’interno
della terra
A sua volta rigidità e densità sono funzione della profondità e della
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composizione
Discontinuità
• È una superficie lungo la quale le onde
sismiche subiscono un sensibile cambiamento
della loro velocità di propagazione e quindi
anche fenomeni di rifrazione e riflessione
• Perché??
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La struttura di
crosta e mantello
Moho
Mantello
litosferico
Velocità onde P
Crosta : 6-7 km/s (6 nei
graniti, 7 nei gabbri)
Mantello r. ultrabasiche
(peridotiti): > 8 km/s
NB La figura non è corretta !a
Velocità densità composizione
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La struttura dell’interno della Terra
• CROSTA: spessore 5-10 km sotto gli oceani, 30-40
km sotto i continenti, max 50-60 km. Densità: crosta
oceanica : 2.9 g/cm3, crosta continentale da 2.5-2.8.
• MANTELLO: Rappresenta l’82 % del volume e
arriva fino alla prof. di circa 2900 km. Parte
superiore: densità: 3.3-3.4; parte inferiore: 3.3-5.6.:
tra 70 e 200 km: astenosfera, parte parzialmente fusa
(1-10 %)
• NUCLEO: 16 % del volume, densità 9.7-13.0 g/cm3
NB densità dell’intero pianeta: 5.45
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La composizione dell’interno della Terra
•CROSTA: Crosta continentale: rocce sialiche (silicio +
alluminio) di varia natura. Graniti, rocce metamorfiche e
sedimentarie. Crosta oceanica: sedimenti non litificati+
lave basaltiche + dicchi gabbrici (tutte e due rocce
femiche: ferro + magnesio. Mediamente + pesante delle
continentale
• MANTELLO: rocce peridotitiche (rocce ultrafemiche),
con olivina (Silicato di Fe e Mg)
•NUCLEO: 16 % del volume, densità 9.7-13 g/cm3.
Composizione: Fe + nichel (6%) + 10-20 % Silicio e/o
Zolfo
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ASTENOSFERA
NB è parte del mantello, ma NON è
a contatto con la crosta
Mantello superiore
o mantello litosferico
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Struttura interna della
Terra: modello
composizionale A (di
che cosa è fatto
l’interno della terra) e
modello reologico B
(come si comporta..)
NB Litosfera: crosta
terrestre + mantello
litosferico
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B
A
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Ma come si dimostra lo stato fluido dell’astenosfera ??
Isostasia (Bouguer, metà del ‘700)
Sotto le grandi catene montuose c’è un..difetto di massa”
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Isostasia (Pratt e Airy, metà ‘800)
« Sial »
« Sima »
C’è un altro fenomeno che porta ad una ..veloce ..diminuzione del peso
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dellaGFGeol
crosta
terrestre.
Le glaciazioni
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Spiagge rialzate (max 18 m) a Inexpressible Island, Terra Nova Bay, Antartide
ff
Sollevamento..a scatti….
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Sabbie eoliche
Depositi di spiaggia
con conchiglie
Fanghi
glaciali
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Isostasia e spiagge
sollevate
in Patagonia
NB: 6-8
m sul
livello del
mare
ff
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