I processi che osserviamo sulla superficie della terra, cioè erosione, trasporto e deposizione sono continui, ma non potrebbero continuare indefinitamente. Se non ci fosse qualcosa che aggiunge energia al sistema, essi gradualmente diminuirebbero fino a finire. Se ad esempio la deriva dei continenti ed il vulcanesimo cessassero improvvisamente si verrebbe a formare un uniforme mondo stagnante, con poca terra piatta o monotona, senza colline, valli o fiumi al di sopra del livello del mare. Così che ci deve essere un motore che agisca all’interno della Terra permettendo di tenere sempre vivo il ciclo di distruzione-costruzione. Il motore interno della terra è azionato da una fonte di energia che guida i processi interni; ad esempio la costruzione di una catena di montagne non si potrebbe realizzare senza un grosso apporto di energia; e allora da dove viene tutta questa energia?
Fig. 36
E’ pensabile che questa energia venga da una sorgente di calore. Da dove viene questo calore? Non dal sole perché la maggior parte delle radiazioni solari sono riflesse nello spazio. Quindi non resta che cercare le sorgenti di calore all’interno della terra. Il calore potrebbe essere generato da 1) reazioni nucleari e/o 2) dal calore residuo derivante da fenomeni di differenziazione magmatica originaria.Si ipotizza infatti che una considerevole quantità di energia potrebbe essere rimasta sotto forma di calore nella separazione del mantello dal nucleo. Questo viene dedotto quando si considera la potente differenza tra la forza di gravità ipotizzabile per una terra uniforme e quella realmente calcolata. La quantità di calore così liberato viene però ritenuta sufficiente. Quindi viene preso in considerazione l’ipotesi delle reazioni nucleari si sa che tutte le rocce continentali contengono materiale radioattivo (nucleoli radioattivi come Ra238) che emetteparticelle ad altissime velocità che urtano contro gli atomi circostanti. Quando questo accade la loro energia cinetica viene trasformata in calore. Questo tipo di energia sarebbe la più importante sorgente di calore che proviene dall’interno della terra.
Come si propaga il calore attraverso la Terra?
Gradiente geotermico e flusso di calore
Dalla Fisica sappiamo che esistono tre modalità di trasmissione del calore (flusso di calore): conduzione, convenzione e irraggiamento.
Un flusso di calore per conduzione impiega molto tempo per passare dal centro della terra alla superficie avendo le rocce una cattiva conducibilità termica (capacità di condurre il calore). Altrettanto improbabile è la trasmissione per irraggiamento essendo le rocce fatte di minerali che risultano opachi. La modalità di trasmissione del calore per convezione risulta la più efficace e determinante in geologia, dal momento che la circolazione riduce il trasporto di materia calda.
La convezione è il meccanismo di trasferimento del calore che è tipico dei fluidi (esempio noto l’acqua che bolle in pentola). Nella distribuzione del calore nella terra si instaura un ciclo convettivo detto cella convettiva che non riguarda solo i fluidi ma anche i solidi quando si comportano da fluidi. Malgrado la sua conclamata rigidità è accettata una distribuzione convettiva del calore anche nel mantello.
Proposta da Holmes nel 1929 come il possibile meccanismo della deriva continentale la convezione è oggi ritenuta possibile in particolare nella fascia esterna del mantello indicata come Astenosfera.
L’esistenza dell’astenosfera con la sua zona a bassa velocità (LVZ) è fondamentale per lo sviluppo della teoria della tettonica delle zolle.
La formazione della LVZ sarebbe dovuta alla fusione parziale del mantello superiore (meno del 3%) ed è dipendente dal gradiente geotermico, o distribuzione delle variazioni del calore interno della Terra.
Il gradiente geotermico mostra un aumento di temperatura con la profondità ed è illustrato nella fig.che raffigura la curva del gradiente geotermico terrestre insieme a quella di fusione del materiale del mantello. Anche se non si ha parziale fusione, il modulo di taglio del mantello è significativamente basso in questa regione, come dimostrano la netta caduta di Vs e la riduzione della rigidità di questa parte del mantello.
Il flusso di calore corrisponde alla quantità di calore emesso dalla terra nell’unità di superficie e di tempo ed il suo valore varia localmente.
La distribuzione dei valori del flusso di calore ha una diretta corrispondenza con l’assetto geodinamico di specifiche regioni. I bacini oceanici e le regioni cratoniche continentali, ritenute in uno stato di equilibrio termico, hanno valori di flusso di calore (HFU = Heat Flow Unit) piuttosto bassi, dell’ordine di 1 HFU (65 Mw/M2). Le dorsali medioceaniche e le fasce orogeniche di età post-paleozoica sono invece aree con elevato flusso di calore. Gli archi di isole vulcaniche (nella parte che guarda verso gli oceani) e gli archi vulcanici del margine continentale sono caratterizzati da valori di flusso di calore tra i più bassi mentre gli archi magmatici giustapposti a queste regioni hanno valori molto alti.
Fig. 37
gradiente geotermico. La temperatura della Terra aumenta con la profondità. Il gradiente geotermico misura l’aumento della temperatura di 3° ogni 100 m verso l’interno (100° / 3000 metri di profondità). Questo valore varia notevolmente a secondo delle aree. In ogni caso il gradiente geotermico non resta costante con la profondità perché altrimenti si dovrebbero prevedere per l’interno della Terra valori dell’ordine di milioni di gradi incompatibili con le nostre conoscenze. Per cui è stata costruita una curva dell’andamento della temperatura con la profondità chiamata geoterma basandosi sui modelli della struttura interna della Terra.
Fig. 38a
Fig. 38b
Il calore che si trasmette nella terra è dunque come già detto il motore principale di tutta la storia geologica attraverso i tempi geologici.
