Geologia applicata: origine geomateriali e orogenesi delle Alpi

Geologia Applicata: I Geomateriali

Politecnico
di Torino
1859
GEOLOGIA APPLICATA
01VLIMC
I GEOMATERIALI: Origine dei
geomateriali
Federico Vagnon
federico.vagnon@polito.it
011 0907612
Ingresso DIATI 3 - Piano 1

Misure della Terra

Politecnico
di Torino
1859
Misure della Terra
Età: 4.5x109 anni (roccia più antica mai datata è l'Acasta Gneiss, N
Canada, ~ 4x109 anni )
Raggio Medio: 6371 km
Volume: 1.083x1012 km3
Massa: 5.98x1024 kg
Densità media: 5.52 g/cm3
Gradiente geotermico medio: 25-35 ℃/km
Densità delle rocce superficiali: 1.8 - 3 g/cm3
Vagnon F. - Geologia Applicata 01VLIMC
2

Struttura della Terra

Conoscenza della Struttura Terrestre

Politecnico
di Torino
1859
Struttura della Terra
Come e quanto conosciamo la struttura della Terra?
СВОДНЫЙ РАЗРЕЗ
Кольской сверхглубокой скважины
CT-3 (sabo# 12262 M)
Физические свойства горных пород
Cr
1.500
Cu-N
0
4
3
E
d
4 900
odabard
5.500
6000
7.000
Svezia
Norvegia
Finlandia
Mar Baltico
Estonia
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000
0
12261.5
Vagnon F. - Geologia Applicata 01VLIMC
3
Perforazione più profonda mai effettuata: 12226 m del pozzo superprofondo di Kola
Mare di
Norvegia
Pozzo superprofondo di Kola
>00 00
000
A
00
00 00 0
ª
Vì
BE

Modelli della Struttura Terrestre

Politecnico
di Torino
1859
Struttura della Terra
La Terra è un sistema dinamico e in continua evoluzione, composto al suo interno da rocce disomogenee per
pressione e temperatura cui sono sottoposte, densità e caratteristiche dei materiali.
static model
in relation to the chemical composition of the layers
dynamic model
in relation to the mechanical behavior of materials
-400
1
density
g/cm3
depth(km)
lithosphere (solid)
0
Conrad D.
C.C.
7-60
30-130
1300 ℃
asthenosphere (î viscosity)
upper mantle
Olivine+Px+Amph.
- Peridotite
spinel+granate -> perovskite+periclase
Repetti D.
+300
670
transition zone
400 Kb
mesosphere
(solid plastic: reid)
5.7
12
lower mantle
(oxides Fe-Mg-Al-Ca-Ti-Ni-Cr .. )
Gutenberg D.
Gravità
10
2885
(liquid)
11.5
+200
outer core
Ni-Fe +(O2/S)
endosphere
5155
13
(solid)
T=4400 a 6700 °C
inner core
Ni-Fe
5000
Speed (km/s)
8 10 12 14
02
4
6371
1000
5 waves
2000
depth(km)
3000
4000
5000
0
o
1000
2000
3000
4000
5000
6000
6000
km
Profondità (km)
Geosphere: Crust
Mantle(~82%V-)
Core
olivine: Fe,SiO,(fayalite) Mg,SiO,(forsterite)
perovskite: CaTIO, periclase: MgO
geothermal gradient = 25-30 °C / km
Densità (kg/m3)
8
5000 ℃ liquid -> solig
transition zone
Lehman D.
Wiechert D.
6
Pressione (Gpa)
Gravità (m/s2)
+100
sediment
2
granite(upper crust). "Sial": Si/Al
basalt /gabbro (lower crust). "Sima": Si/Mg
Pressione
15000
10 KN
Mohorovičić D.
lithospheric mantle
3.00
Conrad 2,75/
Moho
crust: o.c./c.c.
3.3
Densità
900
nivel "D"
9.4
2900 °℃
1400 Kb
10000
4 6
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4

Velocità delle Onde Sismiche

Politecnico
di Torino
1859
Struttura della Terra
The variations with depth of longitudinal- and shear-wave velocities, in the
Earth's interior, according to the Earth model iasp91
(data source: Kennett and Engdahl, 1991)
Body-wave velocity (km s1)
0
5
10
15
crust
0
-35
a
a
410
660
1000
S-wave
lower
mantle
P-wave
2000
Depth (km)
3000
b
b
a = Mohoroviçiç discontinuity (Moho)
outer
core
4000
b = Gutenberg seismic discontinuity
near-surface low-velocity layer
Cenozoic sediments
Mesozoic & Paleozoic sediments
zone of positive velocity gradient
upper crystalline basement
5000
5154
sialic low-velocity layer
granitic laccoliths
middle crustal layer
migmatites
1000-
high-velocity tooth
amphibolites
6000
lower crustal layer
granulites
uppermost mantle
ultramafics
P-wave velocity-depth profile
in the upper mantel beneath
the Canadian shield (after
LeFevre and Helberger, 1989)
P-wave velocity (km s*1)
0
2
4
6
8
0-
top of basement
Depth (km)
10
Conrad discontinuity
20
laminations
30
- Moho
P-wave velocity (km s-1)
6
7 8 9 10 11
0
crust
lid
200
low-velocity layer
Depth (km)
400
400 km
discontinuty
600
670 km
discontinuty
800
inner
core
Generalized petrological model and P-wave velocity-depth profile for oceanic crust (after
Lowrie, 2007)
P-wave velocity (km s'1)
0
2
. 4
6
8
0
ocean
sea water
ocean bottom
5
Layer 1
oceanic sediments
Depth (km)
crust
Layer 2
basalt
~7 km thick
-Moho
Layer 3
gabbro
15-
upper mantle
ultramafics
Generalized petrological model and P-wave velocity-depht
for continental crust (after Mueller, 1977)
2889
upper
mantle
Vagnon F. - Geologia Applicata 01VLIMC
5

Involucri Concentrici della Terra

Politecnico
di Torino
1859
Struttura della Terra
La Terra è formata da involucri concentrici:

• Crosta terrestre: spessore da pochi km fino a 60 km sotto i continenti. Si divide in:
• crosta oceanica (spessore 6 - 7 km): è formata superiormente da sedimenti sciolti
  discontinui e poco spessi e inferiormente da lave basaltiche che derivano dalla fusione
  delle peridotiti del mantello. Al di sotto della crosta oceanica si raggiungono
  temperature dell'ordine dei 300 ℃;
• crosta continentale (spessore 20 - 60 km): è molto più eterogenea sia orizzontalmente
  che verticalmente. La temperatura sotto la crosta continentale raggiunge i 500 - 700 °C.
  Mantello: suddiviso in mantello superiore e mantello inferiore. Il mantello superiore ha uno strato a
  comportamento rigido (~60 km), al di sotto del quale esiste uno strato spesso circa 100 km con proprietà
  visco-elastiche chiamato astenosfera. Crosta + mantello rigido costituiscono la litosfera.
  crosta continentale
  Nucleo: suddiviso in nucleo esterno e interno.
  crosta oceanica
  0 km
  km 0 -
  km 0 -
  10
  sedimenti
  10 -
  10 -
  basalti
  gabbri
  20 -
  20
  crosta
  30 -
  20
  rocce
  granitiche
  30
  50 -
  30
  60 -
  70 -
  80
  50
  mantello
  60
  Vagnon F. - Geologia Applicata 01VLIMC
  6
  40
  mantello
  superiore
  mantello
  40 -

Crosta e Mantello

Politecnico
di Torino
1859
Struttura della Terra
Crosta oceanica (basalto), 6km,
p=2900 Kg/m3
Crosta continentale (granito), 35 km
p=2700 Kg/m3
Litosfera
Litosfera
fredda, rigida
Mantello (peridotite)
p=3300 Kg/m3
Astenosfera
calda,
molto duttile
Astenosfera
Mantello
sottostante
caldo, duttile
ASTENOSFERA:
- Regione compresa tra Litosfera e Mesosfera
- Estensione compresa tra i 70 e 250 km (risale in
corrispondenza delle dorsali oceaniche)
- Zona a comportamento plastico (rocce prossime al
punto di fusione ~1000 ℃), molto viscoso.
- Può essere assimilata ad un liquido e scorrere
lentamente se sottoposta a stress di lunga durata ->
favorisce movimenti di scivolamento laterale e di
subduzione, ma anche movimenti verticali (equilibrio
isostatico).
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7

Gradiente Geotermico

Variazione di Temperatura e Pressione

Politecnico
di Torino
1859
Gradiente geotermico
profondità (km)
0-
litosfera
astenosfera
zona di transizione
1000 -
mantello
inferiore
curva
di fusione
2000
geoterma
3000
nucleo esterno
4000
5000
nucleo interno
6000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
temperatura (℃)
Nella crosta, temperatura e pressione crescono con la profondità:
mediamente, l'incremento di pressione è circa 1000 bar (~1000 atm
o ~100 MPa) ogni 3.5 km.
L'incremento di temperatura, ovvero il gradiente geotermico
(misurato in °C/km) è molto variabile a seconda delle zone:
mediamente nella crosta terrestre è pari a circa 25-30 °C/km.
Dai risultati di indagini indirette, il gradiente geotermico rimane
costante fino a circa 40 km di profondità, per poi diminuire. Si stima
che nel nucleo terrestre la temperatura sia compresa addirittura tra
4000 e 6000 °C.
Il gradiente geotermico è descritto da una curva chiamata geoterma.
stato solido
stato fuso
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8

Analisi della Geoterma

Politecnico
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1859
Gradiente geotermico
profondità (km)
0-
litosfera
astenosfera
zona di transizione
1000 -
mantello
inferiore
curva
di fusione
2000
geoterma
3000
nucleo esterno
4000
5000
nucleo interno
6000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
temperatura (℃)
stato solido
stato fuso
Dall'analisi della geoterma e della curva di fusione dei materiali
possiamo assumere che:

• la litosfera è solida perché la sua temperatura è inferiore a quella
  di fusione;
• l'astenosfera è parzialmente fusa perché le sue rocce sono
  prossime al punto di fusione;
• il mantello inferiore è solido per effetto delle elevate pressioni e
  solo alla sua base la temperatura si avvicina a quella di fusione;
• il nucleo esterno è liquido perché la temperatura è superiore al
  punto di fusione del ferro, di cui è principalmente costituito;
• il nucleo interno è solido perché la pressione è troppo elevata e
  aumenta più velocemente della temperatura.
  Vagnon F. - Geologia Applicata 01VLIMC
  9

Zone a Temperatura Elevata

Politecnico
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1859
Gradiente geotermico
Hot temperature zones
. Existing geothermal power plant locations
(Information from the British Geological Survey and the Icelandic National Energy Authority)
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10

Tettonica delle Placche

Moti Convettivi e Subduzione

Politecnico
di Torino
1859
Tettonica delle placche
L'elevata disomogeneità interna provoca lo sviluppo di
forze negli strati più superficiali, che tendono a
riequilibrare il sistema spingendo le masse rocciose le une
contro le altre, deformandole.
Moti convettivi dell'Astenosfera
TETTONICA DELLE PLACCHE
Il processo di convezione dal nucleo al mantello guida la
tettonica:
> le celle di convezione portano nuovo materiale in
superficie.
> la vecchia crosta viene spinta lontano dalle dorsali.
la subduzione trascina la crosta fredda nel mantello, la
obduzione (sovrapposizione) accavalla zone di crosta
continentale.
Oceano
Atlantico
Africa
America
Crosta oceanica
Crosta oceanica
Crosta continentale
Litosfera
Crosta continentale
Astenosfera
Litosfera
della placca di Nazca
MANTELLO
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11
della placca americana
Litosfera
della placca africana
Astenosfera

Teoria della Tettonica a Placche

Politecnico
di Torino
1859
Tettonica delle placche
TEORIA DELLA TETTONICA A PLACCHE: è una teoria relativamente recente secondo cui la crosta terrestre
è composta da placche rigide (circa 15) che si muovono l'una rispetto all'altra.
I movimenti delle placche sono dell'ordine di pochi centimetri all'anno.
placca eurasiatica
placca
nordamericana
placca
dei Caraibi
placca
delle Filippine
placca Juan
de Fuca
1
placca -
araba
placca
del Pacifico
T
placca
africana
placca
del Pacifico
placca
di Nazca
placca
· sudamericana
Medio - atlantica
Deriva dei continenti
1
placca
indoaustralianas
placca
della Scozia
placca antartica
-| -- margine convergente
-|- margine divergente
- margine trasforme
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12
placca
delle Cocos -
Forsale mo