L'impiego di sistemi di indagine indiretta basati sulla propagazione delle onde sismiche ha permesso di conoscere l'interno del nostro pianeta che è caratterizzato da una struttura ad involucri, o gusci concentrici, costituiti da rocce con proprietà chimiche, fisiche, mineralogiche e reologiche diverse.
Con tutta la sua avanzatissima tecnologia, l'uomo è stato in grado di lanciare sonde alla scoperta del sistema solare, di scendere sulla Luna e di programmare lo sbarco su Marte. Ma si è dovuto arrendere di fronte all'impossibilità di studiare in modo diretto le viscere della Terra, ovvero quelle migliaia e migliaia di chilometri che ci separano dal centro del pianeta.
Lo studio dell'interno del globo svolto in modo diretto, si è dimostrato inefficace: la massima profondità raggiunta dalle perforazioni è di una decina di km (al massimo 14 km nella penisola di Kola in Russia), un nulla rispetto all'entità del raggio terrestre (6350 km). Anche lo studio dei magmi emessi dalle eruzioni vulcaniche e di porzioni di rocce risalite con i magmi stessi, non è in grado, a parte qualche eccezione, di dare risultati apprezzabili.
Se i metodi di osservazione diretta si sono rivelati inefficaci, lo studio per vie indirette è stato invece decisivo per comprendere la struttura interna del nostro pianeta. I metodi della geofisica hanno permesso di gettare luce sulle profondità della Terra tramite lo studio delle onde sismiche [approfondimento 3] (fig. 1). Queste onde, generate dai terremoti o da esplosioni artificialmente, si propagano all'interno del globo non in modo omogeneo, ma subiscono delle variazioni di velocità in base alle caratteristiche dei materiali rocciosi che incontrano. Come conseguenza delle variazioni di velocità le onde cambiano il loro tracciato; vengono riflesse o rifratte. Quando, per esempio, le onde incontrano una superficie di separazione tra due materiali diversi una parte di esse viene riflessa ("rimbalza") e una parte viene rifratta ("deviata"). Questo comportamento è dovuto alla proprietà che possiedono le onde: la loro velocità cambia in base al mezzo che attraversano. Le onde "percepiscono" le diverse densità e temperature dei materiali e modificano di conseguenza la loro velocità. In genere, le onde aumentano la loro velocità quando aumenta la densità e diminuisce la temperatura del materiale attraversato, cioè quanto più il materiale è denso e freddo. Lo studio delle caratteristiche e del conseguente comportamento delle onde sismiche è stato fondamentale per individuare la struttura disomogenea della Terra. Infatti il nostro pianeta è suddiviso in vari strati concentrici identificati in base alle diverse caratteristiche chimiche, fisiche, mineralogiche e reologiche delle rocce che lo compongono.
Fig. 1 - Onde sismiche. Andamento delle onde sismiche di tipo diverso all'interno della terra.
Grazie al progredire della ricerca e delle tecnologie usate oggi si può affermare che l'organizzazione interna dei materiali che costituiscono il nostro pianeta prevede una struttura a involucri o gusci concentrici simili a una cipolla [approfondimento 1]. Gli involucri sono distinti in base alle diverse composizioni, strutture e stato fisico dei materiali rocciosi che li compongono. Questi gusci concentrici sono delimitati da superfici di discontinuità che rappresentano la separazione tra zone dove i materiali presentano caratteristiche fisiche e chimiche molto differenti (fig. 2).
Fig. 2 - Interno della terra. L'interno della terra è costituito da involucri concentrici con caratteristiche fisiche e chimiche molto diverse, che iniziano a profondità ben definite.
La crosta è l'involucro più esterno sul quale noi camminiamo è sottile e costituita da rocce [approfondimento 2] allo stato solido. La crosta presenta caratteristiche differenti in corrispondenza degli oceani e dei continenti. Si può quindi distinguere una crosta continentale ed una crosta oceanica.
La crosta continentale, più spessa (35-40 Km, fino ad un massimo di 70 km in corrispondenza della catena Himalayana) e meno densa rispetto a quella oceanica, è costituita da un sottile strato di sedimenti che ricopre uno strato di rocce di tipo granitico, sotto il quale si trova uno strato più profondo di rocce metamorfiche [approfondimento 2].
La crosta oceanica presenta invece uno spessore inferiore (circa 10 km), è più densa e pesante ed è composta da un notevole spessore di sedimenti nella porzione superiore, da un sottostante strato di lave basaltiche e ancora più in profondità da uno strato di rocce magmatiche intrusive [approfondimento 2](fig. 3).
Fig. 3 - Crosta continentale e crosta oceanica. La crosta continentale è caratterizzata da uno spessore molto maggiore (da 3 a 7 volte) e da densità minore rispetto alla crosta oceanica.
La crosta è delimitata verso il basso dalla discontinuità di Mohorovicic, che segna il passaggio al sottostante mantello. Questo ulteriore involucro raggiunge una profondità di 2900 km ed è composto da Ferro (Fe), Magnesio (Mg), Alluminio (Al), Silicio (Si), Ossigeno (O) e composti silicatici. All'interno del mantello, la velocità delle onde sismiche aumenta con la profondità, da un minimo di 8 km/sec ad un massimo di 13 km/sec e la temperatura giunge fino ai 3000 °C. Lo studio dell'andamento delle onde sismiche nel mantello ci fornisce un indizio importante sul fatto che i materiali, in questo involucro, si trovano ancora allo stato solido: infatti, oltre alle onde sismiche P si propagano anche quelle S (che, per la loro caratteristica di onde trasversali, non si propagano attraverso i liquidi).
Il mantello è delimitato verso il basso dalla discontinuità di Gutenberg, in corrispondenza della quale inizia il nucleo esterno.
Il nucleo, composto per la maggior parte da Ferro (Fe) e Nickel (Ni), rappresenta la porzione centrale della Terra. Ha un raggio di 3470 km, è suddiviso in nucleo esterno (30,8 % della massa terrestre) e nucleo interno (la cui massa è comparabile a quella della Luna) separati dalla discontinuità di Lehmann che si trova ad una profondità di circa 5200 km. La temperatura interna del nucleo è così alta che la sua porzione esterna è allo stato liquido, come testimoniato dal fatto che le onde S non possono passarvi. Il nucleo interno invece è allo stato solido in quanto sottoposto a pressioni enormi. Qui sia le onde S che quelle P possono passare.
Una volta stabilita con ragionevole certezza la suddivisione del globo in involucri concentrici, gli studiosi hanno rivolto la loro attenzione alla porzione più esterna della Terra, perché è qui che si generano i fenomeni detti endogeni quali vulcanismo, terremoti e orogenesi (formazione delle montagne) che interessano la superficie terrestre. La suddivisione degli involucri esterni della Terra in crosta e mantello è in relazione a caratteristiche chimico- mineralogiche. Un altro modo di considerare la parte più esterna del nostro pianeta è in base alle caratteristiche reologiche delle rocce (la reologia è quella parte della fisica che studia il comportamento elastico, plastico e viscoso dei corpi sottoposti a forze esterne). Questo modello permette di fare le seguenti suddivisioni:
- la litosfera, che comprende la crosta e una sottile parte superiore del mantello, è costituita da rocce a comportamento prevalentemente rigido e risulta suddivisa in un certo numero di zolle (capitolo 2. La tettonica delle placche). Il suo limite inferiore arriva a profondità variabili a seconda del diverso spessore della crosta: sotto gli oceani raggiunge al massimo una settantina di km, mentre in corrispondenza dei continenti lo spessore in media è di 100 km;
- sotto la litosfera si trova l'astenosfera, le cui rocce non hanno un comportamento strettamente rigido e, se sottoposte a sforzi lentissimi e prolungati possono fluire in modo duttile. L'astenosfera è detta anche "orizzonte a bassa velocità", in quanto in questa regione le onde sismiche subiscono un brusco rallentamento. La diminuzione di velocità è causata dalla presenza di materiale allo stato parzialmente fuso. Questo materiale faciliterebbe un comportamento di tipo plastico e spiegherebbe l'anomalia sismica (fig. 4).
Fig. 4 - Litosfera e astenosfera. La parte più esterna della terra è caratterizzata da due zone con comportamento fisico delle rocce diverso: rigido nella litosfera, che costituisce la parte esterna, e più plastico nell'astenosfera.
La scoperta di questo orizzonte "plastico" è stata fondamentale per l'affermazione della teoria della tettonica a placche: gli scienziati ritengono infatti che le placche litosferiche siano trascinate dai movimenti originatisi nella sottostante astenosfera originando tutti i meccanismi responsabili della tettonica globale.
Al di sotto di questo orizzonte le rocce tornano a comportarsi come solide all' impulso sismico.
Al di sotto dell'astenosfera, il mantello continua fino a 2900 Km di profondità, dove la discontinuità di Gutemberg indica l'inizio del nucleo esterno.
Il nostro Pianeta non è statico e immobile ma attivo e dinamico grazie alla presenza di calore interno [approfondimento 4].