Le onde sismiche, sismografi e la deriva dei continenti

Le onde sismiche

Dall'ipocentro di un terremoto si propagano in tutte le direzioni dello spazio due tipi di onde sismiche con fronte d'onda sferico. Il passaggio delle onde non provoca spostamento di materiale, ma provoca vibrazioni attorno a una posizione relativamente fissa delle particelle che formano i diversi materiali dell'interno della terra.

• Le onde P (primarie o longitudinali) al loro passaggio provocano oscillazioni delle particelle nella stessa direzione di propagazione dell'onda. Vengono chiamate anche onde di compressione, perché al passaggio dell'onda le particelle adiacenti si avvicinano e si allontanano alternativamente provando variazioni di volume nella roccia. La velocità delle onde P dipende dal tipo di materiale attraversato, dallo stato fisico e dalla densità; le onde P possono attraversare indifferentemente solidi, liquidi e gas.
• Le onde S (secondarie o trasversali) provocano oscillazioni delle particelle perpendicolari rispetto alla direzione di propagazione dell'onda. Le onde S non possono propagarsi nei fluidi e sono più lente rispetto alle onde P.

Le onde sismiche possono essere riflesse o rifratte al passaggio da un materiale all'altro o da un mezzo all'altro. Quando i fronti delle onde P e delle onde S raggiungono la superficie possono generare:

• onde Rayleigh, che generano movimenti ellittici delle particelle del materiale attraversato dall'onda in piani orientati nella stessa direzione di propagazione dell'onda (movimenti sussultori);
• onde di Love, che provocano movimenti trasversali e perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda (movimenti ondulatori).

I sismografi

Le onde sismiche vengono rilevate in superficie da strumenti chiamati sismografi che sono posizionati nelle stazioni di rilevamento. Il sismografo tradizionale è costituto da un supporto al quale è agganciata una massa metallica che tende a rimanere ferma per inerzia quando il supporto (il terreno) si muove. Alla massa è agganciato un pennino che registra un foglio di carta, arrotolato intorno a un cilindro rotante, gli eventuali movimenti del suolo. Il risultato della registrazione dei movimenti orizzontali e verticali è il sismogramma, dal quale si possono ricavare il tempo di arrivo delle onde sismiche e la posizione di epicentro e ipocentro. Nuovi e più sofisticati strumenti digitali, distribuiti nelle aree a maggior rischio sismico, consentono le teletrasmissione e il processamento automatico dei dati. Questo tipo di elaborazione dei dati permette di ricavare notizie più precise sulla localizzazione dei terremoti e sulla propagazione delle onde sismiche verso la superficie.

Le onde sismiche e la Terra

Le onde sismiche sono uno strumento di indagine per lo studio dei materiali costituenti l'interno della terra e della loro disposizione. Spesso per queste indagini si ricorre allo studio con sismografi di terremoti artificiali, generati da scoppio di bombe atomiche o esplosioni di cariche di tritolo, che permettono di ricostruire il percorso delle onde sismiche all'interno della Terra conoscendo solo la posizione dell'ipocentro e il tempo di arrivo delle onde alle stazioni di rilevamento.

Riflessioni e rifrazioni delle onde

Dall'ipocentro del terremoto le onde si propagano in tutte le direzioni. Quando incontrano una superficie di discontinuità subiscono riflessioni o rifrazioni. Le superfici di discontinuità segnano il passaggio da uno stato di aggregazione a un altro, cambiamenti di densità o di composizione chimica all'interno del pianeta. Quando il raggio incidente incontra la superficie di discontinuità origina:

• un raggio riflesso= che ritorna vero la superficie con lo stesso angolo di incidenza;
• un raggio rifratto= che prosegue nello strato sottostante.

• Se la velocità dell'onda aumenta il raggio subisce una deviazione verso la superficie di discontinuità, si avvicina ad essa. L'angolo di rifrazione è maggiore;
• Se la velocità dell'onda diminuisce il raggio si avvicina alla superficie di separazione. L'angolo di rifrazione è minore.

Tra tutti i raggi incidenti almeno uno arriverà alla superficie di discontinuità con un angolo di rifrazione di 90°, detta angolazione limite o angolo critico, propagandosi lungo la superficie di discontinuità. I raggi che superano questo angolo critico verranno soltanto riflessi (non ritratti), portando a un fenomeno di riflessione totale. I raggi rifratti in realtà andando in profondità tenderanno tutti a riemergere quando raggiungeranno l'angolo critico, dando luogo a riflessione totale. Il percorso dei raggi in profondità quindi può essere pertanto considerato una curva concava verso l'alto. Considerando una rete di sismografi, arriveranno alle stazioni di rilevamento sia onde dirette che riflesse e rifratte. In particolare nella stazione più vicina arriveranno prima quelle dirette mentre in quella più lontana quelle rifratte e riflesse perché hanno percorso la stessa distanza ma con velocita maggiore nello strato sottostante.

Tomografia sismica

Negli ultimi anni i geofisici hanno messo a punto, rifacendosi ai principi della TAC, dove si usano i raggi X per identificare strutture a maggiore densità, la tomografia sismica. Questa tecnica usa le onde sismiche per rilevare all'interno del mantello:

• zone più calde e meno dense in cui le onde si propagano più lentamente, che corrispondono a zone oceaniche;
• zone più fredde e più dense, in cui le onde si propagano più velocemente, che corrispondono a località interne dei continenti.

Questo ha permesso di costruire le mappe con riferimento alla temperatura e al flusso del calore interno del mantello in cui si indicano in rosso le zone più calde e in blu quelle più fredde.

Superfici di discontinuità

Le superfici di discontinuità sono involucri sferici all'interno della Terra che separano strati rocciosi con diverse caratteristiche chimico-fisiche.

1. Discontinuità di Mohorovičić / Moho -> separa crosta e mantello (30 km in media): agli inizi del 900 il geofisico Mohorovicic studiando i sismogrammi del terremoto di Zagabria del 1906 vide come i sismografi più lontani registravano onde sismiche che sembravano aver viaggiato più velocemente di quelle registrate da sismografi più vicini all'epicentro. Questo portò il geofisico a ipotizzare la presenza di uno strato superficiale, la crosta terrestre, in cui le onde si propagano più lentamente, e uno più profondo, il mantello, in cui si propagano più velocemente.
2. Discontinuità di Gutenberg -> separa mantello e nucleo (2900 km) La scoperta di questa discontinuità fu evidenziata dalla scoperta delle zone d'ombra cioè zone in superficie in cui per un dato sisma non si registrano onde P (tra 103º e 143° dall'epicentro) o onde S (dai 103° in poi).Le onde P ricompaiono rallentate dai 103°. La ricomparsa di onde P rallentate e la scomparsa di quelle S hanno portato ad ipotizzare l'esistenza di materiale liquido all'interno della terra- > nucleo. La discontinuità di Gutenberg rappresenta sia un limite chimico ( separa materiali diversi come la Moho) sia fisico (separa uno strato solido e uno liquido).
3. Discontinuità di Lehmann -> separa nucleo esterno (l) e interno (s) (5170Km): negli ani 60 la sismologa Lehmann studiando le registrazioni di terremoti generati da esplosioni nucleari si rese conto che nel nucleo si registravano fenomeni di riflessione e rifrazione delle onde P causati dal passaggio delle onde a un materiale più denso ed elastico -> nucleo interno solido.

Gli strati interni della Terra

Crosta terrestre

Crosta terrestre -> compone lo 0,5% della massa della Terra e l'1,4% del volume. I materiali della crosta sono stati individuati confrontando i dati raccolti da studi in laboratorio di diversi campioni rocciosi in cui sono stati analizzati i comportamenti al passaggio delle onde sismiche, e i dati raccolti attraverso la rete di sismografi. La Moho si trova a profondità variabili e ciò ha permesso di distinguere:

• Crosta continentale= una porzione di crosta + spessa (20-70 km) che costituisce i contenti e le loro radici. Ha una composizione eterogenea non ben definita e densità media di 2,7 g/cm3. Si pensa possa essere suddivisa in due strati:

• Strato superficiale: formato da graniti e rocce metamorfiche di composizione acida (può essere ricoperto da un sottile strato di rocce sedimentari);
• Strato sottostante: forse formato da granuliti e granato (rocce metamorfiche intermedio-acide formate in assenza di acqua ad alte temperature).

• Crosta oceanica = una porzione più sottile (6-8 km) che forma i fondali oceanici Ha densità media di 3 g/cm3 e composizione + omogenea. È composta da:

• Strato superficiale di sedimenti oceanici;
• Strato di basalti (effusive) con struttura a cuscino, dicchi e rocce ipoabissali basiche;
• Strato di Gabbri (intrusive).

Mantello terrestre

Mantello -> strato + spesso (da Moho alla discontinuità di Gutenberg a 2900 km); 67 % della massa della Terra e 83 % del volume. È composto da peridotiti, rocce ultrabasiche composte da silicati di Fe e Mg (olivina e pirosseni). La densità della parte superiore, a contatto con la Moho, è di 3,3 g/cm3. All'interno del mantello, a 400 e 700 km, ci sono alcune discontinuità minori che rappresentano adattamenti dell'organizzazione degli atomi del reticolo cristallino dell'olivina in strutture più semplici, dense e compatte. Le onde P aumentano di velocità all'aumentare della profondità e, in particolare, l'incremento di velocità a 700 km è considerato il passaggio dal mantello superiore a quello inferiore.

Nucleo terrestre

Nucleo-> raggio 3500 km; 16% del volume della Terra. Al centro della terra raggiuge densità di 10-12 g/cm3. Si suddivide in nucleo esterno, liquido, e nucleo interno, solido. Si ritiene che sia costituito da una lega Fe-Ni con quantità minori di Si, S, K e Mg. La sua composizione è stata ipotizzata a partire dall'analisi chimica di meteoriti, soprattutto ferrose, e dal fatto che, per differenziazione gravitazionale, al centro della terra vi dovessero essere i materiali più pesanti della Terra primordiale.

Litosfera, astenosfera e mesosfera

• Negli anni 20 Gutenberg individuò nel mantello uno strato a bassa velocità delle onde sismiche, tra 70 e 200km, chiamato astenosfera. Il rallentamento delle onde è dovuto alla presenza di materiale parzialmente fuso nella peridotite del mantello superiore, che forma una sottile pellicola attorno a ciascun minerale.
• Sopra l'astenosfera c'è la litosfera, uno strato rigido ed elastico che comprende la crosta e parte del mantello superiore.
• Sotto l'astenosfera c'è la mesosfera.

Movimenti verticali della crosta

La gravità ha un ruolo fondamentale nella dinamica della Terra, il settore che si occupa di ciò è la gravimetria. I valori dell'accelerazione di gravità nella Terra variano in base a latitudine, altitudine e distribuzione delle masse crostali. In generale questi valori misurati con i gravimetri confermano le previsioni teoriche. Tuttavia, ci sono alcuni casi in cui si discostano da esse, portando così ad anomalie gravitazionali che possono essere causate:

• dalla presenza nel sottosuolo di zone a ridotta o elevata densità (es. giacimenti petroliferi)
• o da una situazione di squilibrio gravitazionale dovuta a movimenti verticali dei settori della crosta terrestre.