Mantello terrestre

Ingeologiae ingeofisicailmantello terrestreè uno degli involucri concentrici che costituiscono laTerra: si tratta di un involucro solido plastico, compreso tra lacrosta terrestree ilnucleo terrestre, avente uno spessore di circa2890km.
Rappresenta l'84% in volume dell'interopianetaed è costituito essenzialmente daroccia ultramaficastabile ad altapressionee ricca diferroe dimagnesio, tra cuiolivine magnesifere,granatimagnesiferi,spinelli,ortoeclinopirosseninel mantello superiore e diverseperovskiti silicatichenel mantello inferiore. Lapressioneal contatto mantello/nucleo esterno è stimata pari a un milione e mezzo diatmosfere(140GPa).
Il mantello è prevalentementesolidoe inferiormente si trova a contatto sul caldo nucleo terrestre ricco di ferro, il quale occupa invece il 15% del volume della Terra.Episodi passati di fusione evulcanismoa livelli meno profondi del mantello hanno prodotto una sottile crosta di prodotti fusi cristallizzati vicino alla superficie, sopra la quale noi viviamo.I gas sprigionati durante la fusione del mantello della Terra ebbero un grande effetto sulla composizione e abbondanza dell'atmosfera terrestre. L'informazione riguardo alla struttura e alla composizione del mantello risulta dall'indagine geofisica o dall'analisi diretta geoscientifica suglixenolitiderivati dal mantello terrestre.
Il suo limite superiore, ossia il suo contatto con la sovrastante crosta terrestre, generalmente si trova tra i 10 e i 35 km di profondità dalla superficie, ed è dettodiscontinuità di Mohorovičić(spesso abbreviata in "Moho"); il limite inferiore, che segna il confine con ilnucleo, è dettodiscontinuità di Gutenberg.
Entrambe sono state individuate attraverso studi disismologia, la prima per la riflessione parziale delleonde sismichedovuta al repentino cambiamento della loro velocità nel passaggio tra i due mezzi, la seconda per l'assorbimento delle onde trasversali (onde S, ossiasecundae) da parte del nucleo esterno liquido. È stato inoltre possibile suddividere ulteriormente il mantello in due strati distinti, sempre in funzione della velocità di propagazione delle onde sismiche: il mantello superiore, di circa 700 km di spessore, trasmette le onde sismiche a velocità ridotte rispetto al mantello inferiore, di oltre 2000 km.
Il mantello dunque è diviso in sezioni basate su risultati forniti dallasismologia. Questi strati (e le loro profondità) sono i seguenti: il mantello superiore (33–410 km), la zona di transizione (410–660 km), il mantello inferiore (660–2891 km), e in basso nell'ultima regione c'è l'anomalo confine nucleo-mantello (strato D") con uno spessore variabile (intorno a una media di ~200 km).
La parte superiore del mantello è definita tramite un improvviso incremento nella velocità sismica, rispetto a quella della crosta terrestre, incremento che fu notato per la prima volta dal geofisicoAndrija Mohorovičićnel 1909; questo confine viene attualmente indicato come la "discontinuità di MohorovičićoMoho". Il mantello più vicino alla sovrastante superficie è relativamente rigido e forma lalitosfera, uno strato irregolare che ha uno spessore massimo di forse 200 km. Sotto la litosfera il mantello superiore diventa particolarmente plastico nella suareologia. In alcune regioni sotto la litosfera la velocità sismica è ridotta: questa così definitazona a bassa velocità(LVZ, dall'ingleseLow Velocity Zone) si estende giù fino a una profondità di diverse centinaia di km.
Inge Lehmannscoprì la discontinuità sismica a circa 5150 km di profondità. La zona di transizione è un'area di grande complessità, che fisicamente separa il nucleo superiore da quello inferiore.Molto poco si conosce circa il nucleo inferiore a prescindere dal fatto che sembra essere relativamente omogeneo dal punto di vista sismico. Lostrato D"è quello che separa il mantello dal nucleo.
Il mantello superiore, immediatamente sotto la crosta terrestre, viene definito "mantello litosferico" e insieme alla crosta costituisce lalitosfera. A maggiore profondità, che varia da circa 80 km sotto gli oceani a circa 200 km sotto i continenti, c'è uno strato a bassa viscosità, comunemente definitoastenosfera. Tale bassa viscosità è stata associata ad uno stato di fusione parziale del mantello, ed è comunque dovuta alle alte temperature, vicine alsolidusdelle comuni rocce mantelliche, ricche inolivina.
La viscosità dell'astenosfera varia tra 10e 10Pa·s, a seconda della profondità. La viscosità, pur elevata, consente all'astenosfera di comportarsi come un liquido e scorrere lentamente se sottoposta a stress di lunga durata: questaplasticitàè alla base dellaTettonica delle placche. Oltre a favorire movimenti di scivolamento laterale e disubduzione, la viscosità dell'astenosfera consente anche movimenti verticali: l'interazione tra litosfera ed astenosfera è simile a quella di una zattera e del liquido, necessariamente più denso, su cui galleggia. Tale equilibrio si dice isostatico, i movimenti che lo ristabiliscono quando è perturbato sono imovimenti isostatici.
Una prova dell'esistenza di uno strato in qualche modo fluido sono proprio i movimenti isostatici. Il Mar Baltico e in particolare il Golfo di Botnia sono in corrispondenza del massimo spessore dell'inlandis nordeuropeo durante le glaciazioni pleistoceniche. Dal rilevamento e dalla datazione delle paleospiagge si constata che esse sono in contrazione a causa di un sollevamento della crosta continentale sottostante (piattaforma continentale) attualmente dell'ordine di un centimetro all'anno ma che raggiunse il metro all'anno subito dopo la fine della glaciazione di Würm (ca. 10000 a.C.). Una situazione analoga si ha nella Baia di Hudson. Tali movimenti verticali sono analoghi a quelli di una barca che viene scaricata: in questo caso sono dovuti allo scioglimento di chilometri di ghiaccio.
Intorno ai 410 km e 660 km di profondità, sono state rinvenute due importanti discontinuità sismiche, associate a transizioni di fase rispettivamente dall'olivinaallawadsleyitee dallaringwooditealle fasi del mantello inferiore (per esempioperovskiteemagnesio-wuestite). Questa zona è comunemente definita "zona di transizione".
Il mantello inferiore è composto per lo più disilicio,magnesioeossigenocon percentuali minori diferro,calcioealluminio. I minerali principali sono laperovskitee lamagnesio-wuestite. Entrambi hanno struttura cubica, più adatta a sostenere le crescenti pressioni del mantello.
Lungo buona parte del mantello inferiore non si verificano sostanziali transizioni di fase mineralogica. La temperatura aumenta sostanzialmente in modo adiabatico (vedigradiente adiabatico), consistente con un flusso convettivo (vediconvezione). Anche se recenti studi interdisciplinari, basati su studi di minerali ad alta pressione e temperature e dati sismologici, hanno postulato un gradiente super-adiabatico. Come conseguenza, dal punto di vista sismico, la zona del mantello inferiore è relativamente meno complessa della soprastante zona di transizione.
Perstrato D'’si intende lo strato spesso circa 200 km del mantello inferiore, direttamente al di sopra del confine mantello-nucleo, talvolta incluso nelle discussioni relative alla zona di confine mantello-nucleo.
Le cose cambiano drasticamente in questa zona, caratterizzata da forti anomalie sismiche, rappresentante la parte basale del flusso convettivo del mantello.
Di per sé pare sia uno strato instabile, infatti non è omogeneo, e ci sono zone dove addirittura manca. Al suo interno le velocità delleonde sismichesubiscono variazioni notevoli: sono superiori alla media nella verticale dellasubduzionedellaplacca pacifica, mentre a livello del Pacifico centrale e sotto l'Africa sono inferiori. Questo poiché l'elasticitàdelle rocce ivi presenti aumenta con lapressione, ma diminuisce con l'aumentare dellatemperatura. L'aumento della pressione e della temperatura che si ha con l'aumento della profondità fa aumentare l'elasticità delle rocce. Tuttavia il gradiente di temperatura in questo strato è più alto che nel mantello convettivo, il che comporta un aumento della velocità delle onde sismiche.
Nello strato D'’ son poi presenti sbuffi laterali che danno origine a pennacchi di materiale caldo che arriverebbe in superficie in zone comeRéunion, leHawaiioYellowstone, per esempio.
Inoltre placchelitosferichefredde subducenti terminerebbero la discesa nello strato D'’. Ma questo porrebbe un gradiente di temperatura nucleo-mantello di1000°C, non più adiabatico, che porterebbe a problemi ulteriori.
Complessità composizionali sono attese in questa zona. Una nuova fase mineralogica dellaperovskite, lapost-perovskite, è stata prevista e trovata in laboratorio a pressioni corrispondenti allo Strato D'’.
Il mantello si differenzia sostanzialmente dalla crosta per le sue caratteristiche meccaniche e la sua composizione chimica. La distinzione tra crosta e mantello è basata sulla chimica, tipi di rocce, reologia e caratteristiche sismiche. La crosta è, infatti, un prodotto della fusione del mantello. Si crede che la parziale fusione del materiale del mantello sia la causa dei suoi elementi incompatibili da separare dal materiale meno denso fluttuante verso l'alto attraverso spaziporosi, rotture, o fenditure, per poi raffreddarsi e solidificare in superficie. Le tipiche rocce del mantello hanno un più alto rapporto magnesio / ferro, e una più piccola proporzione disilicioealluminiorispetto alla crosta. Questo comportamento è anche avvalorato dagli esperimenti che usano fondere parzialmente rocce appositamente scelte come rappresentative del mantello terrestre.
Le rocce del mantello che si trovano a una profondità approssimativa inferiore a 400 km sono costituite principalmente daolivine,pirosseni,spinelli, egranati; le rocce tipiche si presume sianoperidotite,dunite(olivina-arricchita con peridotite) eeclogite. Tra i 400 km e i 650 km di profondità, l'olivina non è stabile e viene rimpiazzata daimateriali polimorfiche hanno approssimativamente la stessa composizione: un polimorfo è lawadsleyite(nota anche comebeta-spinello), e l'altro è laringwoodite(un minerale con la struttura delgamma-spinello). Sotto i 650 km circa, tutti i minerali del mantello superiore iniziano a diventare instabili. I minerali più abbondanti presenti hanno struttura (ma non composizione) simile allaperovskiteseguita daferropericlasedi magnesio/ossido di ferro.
I cambiamenti nella mineralogia a circa 400 e 650 km producono segnali caratteristici nelle registrazioni sismiche dell'interno della Terra, e, come lamoho, sono rilevate utilizzando le onde sismiche. Questi mutamenti mineralogici possono influenzare laconvezione del mantello, in funzione della variazione della loro densità e possono assorbire o rilasciare il calore latente come pure abbassare o elevare la profondità delle transizioni polimorfiche di fase in regioni a differenti temperature. L'andamento dei mutamenti mineralogici in funzione della profondità è stato indagato tramite esperimenti di laboratorio che riproducono le alte pressioni del mantello superiore, come quelli che usano l'incudine di diamante.
Il nucleo interno è solido, quello esterno è liquido e il mantello solido/plastico. Questo succede a causa dei punti di fusione relativi ai diversi strati (nucleo di nickel-ferro, crosta di silicati e mantello) e l'incremento di temperatura e pressione dovuto alla maggiore profondità. Alla superficie sia la lega ferro-nickel che i silicati sono sufficientemente freddi per essere solidi. Nel mantello superiore, i silicati sono generalmente solidi anche se esistono regioni localizzate con piccole quantità di fusione; poiché il mantello superiore è sottoposto a una pressione relativamente ridotta, la roccia ha una viscosità relativamente bassa. Al contrario, il mantello inferiore è sotto pressioni più elevate e quindi ha una viscosità più alta rispetto al mantello superiore. Il nucleo esterno metallico ferro-nickel è liquido a dispetto dell'enorme pressione, poiché esso ha un punto di fusione più basso dei silicati del mantello. Il nucleo interno è solido a causa della schiacciante pressione esistente al centro del pianeta.
Nel mantello le temperature variano da 500 °C a 900 °C al confine superiore con la crosta, e ad oltre 4.000 °C al confine con il nucleo.Anche se le temperature più alte oltrepassano di molto ipunti di fusionedelle rocce del mantello (circa 1200 °C per la caratteristicaperidotite), il mantello è quasi esclusivamente solido.L'enormepressione litostaticaesercitata sul mantello impedisce lafusione, poiché la temperatura alla quale la fusione inizia aumenta con la pressione.
A causa della differenza di temperatura fra la superficie della Terra e il nucleo esterno e della capacità delle rocce cristalline, sottoposte ad alta pressione e temperatura, di subire deformazioni viscose nel corso di milioni di anni, si crea una circolazioneconvettivadi materiale nel mantello.Il materiale caldo sale come undiapiro plutonico(piuttosto simile a unlumedi lava), forse partendo dal confine con il nucleo esterno (vedipennacchio di mantello), mentre il materiale più freddo (e denso) sprofonda. Questo avviene in genere sotto forma di sprofondamenti litosferici su larga-scala nellezone di subduzioneai confini delle placche tettoniche.
Durante l'ascesa il materiale del mantello viene a raffreddarsiadiabaticamentee perconduzione termicadentro il circostante materiale più freddo. La temperatura del materiale scende drasticamente con la diminuzione della pressione connessa all'ascensione, e il suo calore viene a distribuirsi in un ampio volume. Poiché la temperatura alla quale la fusione inizia decresce più rapidamente con l'altezza di quanto lo faccia il sollevamento del pennacchio caldo, può avvenire una fusione parziale proprio al di sotto della litosfera causando cosìvulcanismoeplutonismo.
La convezione del mantello terrestre è un processo che in termini di dinamica del fluido viene definitocaotico, e si pensa sia una parte integrante dello spostamento delle placche. Il movimento delle placche non andrebbe confuso con il più vecchio terminederiva dei continenti, che si applica puramente al movimento dei componenti della crosta dei continenti. I movimenti della litosfera e del mantello sottostante sono collegati poiché la litosfera discendente è un componente essenziale della convezione nel mantello. La deriva continentale osservata è una relazione complicata tra le forze che causano lo sprofondamento della litosfera oceanica e i movimenti all'interno del mantello terrestre.
Sebbene ci sia una tendenza generale all'aumento della viscosità con il crescere della profondità, questa relazione non è assolutamente lineare, tanto che si trovano strati con viscosità molto bassa sia nel mantello superiore che al confine con il nucleo.Il mantello, nella porzione che si trova a circa 200 km sopra ilconfine nucleo-mantello, sembra avere proprietà sismiche distintamente differenti rispetto alle zone situate a profondità leggermente più basse; questa insolita regione del mantello proprio al di sopra del nucleo viene chiamatastrato D", nomenclatura introdotta oltre 50 anni fa dal geofisicoKeith Bullen. Lo strato D" può essere costituito da materiale proveniente dalle fette di crosta affondate persubduzionee venute a fermarsi al confine nucleo-mantello e/o da un nuovo minerale polimorfo scoperto nella perovskite e dettopost-perovskite.
I terremoti originatisi alle basse profondità sono il risultato dei movimenti di frizione e frattura dellefaglie. A causa della viscosità relativamente bassa nel mantello superiore, e quindi del suo comportamento duttile, si potrebbe desumere che non ci possano essereterremotial di sotto di 300 km circa di profondità, anche se ne sono stati registrati fino a 670 km nelle zone di subduzione e sono stati proposti vari meccanismi per spiegare il fenomeno. Nelle zone in subduzione, il gradiente geotermico può abbassarsi nelle aree dove il materiale freddo proveniente dalla superficie tende a sprofondare, incrementando la tensione del mantello circostante e permettendo così l'innesco di terremoti tra 400 km e 670 km di profondità.
Lapressioneal fondo del mantello è di ~136GPa(1,4 milioni diatm).La pressione aumenta con l'aumento della profondità nel mantello, poiché il materiale sottostante deve sorreggere il peso di tutto il materiale che lo sovrasta. Si ritiene tuttavia che l'intero mantello sia in grado di subire deformazioni viscose su lunghi periodi, con una deformazione plastica permanente che si instaura tramite il movimento di punti, linee, e/o difetti planari presenti nei cristalli solidi inclusi nel mantello. Le stime riguardo alla viscosità del mantello superiore variano tra 10e 10Pa·s, in funzione della profondità,temperatura, composizione, stato di tensione e numerosi altri fattori. Il mantello superiore può scorrere però soltanto molto lentamente. Tuttavia, quando grandi forze vengono applicate alla parte superiore del mantello, esso può diventare più debole, e si presume che questo effetto abbia la sua importanza nel permettere la formazione dei bordi dellaplacca tettonica.
Template:Da aggiornarerL'esplorazione del mantello viene generalmente condotta sul fondo marino piuttosto che sulla terra a causa della relativa sottigliezza della crosta oceanica rispetto a quella continentale, significativamente più spessa.
Il primo tentativo di un'esplorazione del mantello, noto comeProject Mohole, fu abbandonato nel 1966 dopo ripetuti fallimenti e costi esorbitanti. La più profonda penetrazione fu di circa 180 m.
Nel 2005 il terzo più profondo foro oceanico effettuato raggiunse i 1416 metri sotto il fondale marino con l'ausilio della sonda di perforazione della nave oceanicaJOIDES Resolution.
Il 5 marzo del2007una squadra di scienziati a bordo dellaRRS James Cooksi imbarcò per un viaggio verso un'area del fondale atlantico dove il mantello giace esposto senza nessuna crosta che lo ricopra, a metà strada tra leIsole di Capo Verdee ilMar dei Caraibi. Il sito esposto giace approssimativamente tre chilometri sotto la superficie dell'oceano coprendo migliaia di chilometri quadrati.
Un tentativo relativamente difficile per prelevare campioni dal mantello della Terra fu programmato per la fine del 2007.Come parte della missione diChikyu Hakken, venne utilizzato la nave giapponese 'Chikyu' per fare una perforazione fino a 7000 m sotto il fondale oceanico, quasi tre volte più profonda della precedente.
Un nuovo metodo per esplorare centinaia di km nella parte superiore della Terra è stato recentemente analizzato: esso consiste in una sonda generatrice di calore piccola e densa che fonde gli strati lungo il suo percorso attraverso la crosta e il mantello, mentre la sua posizione e progressione vengono tracciate da segnali acustici generati nelle rocce.La sonda consiste di una sfera esterna intungstenodi ~1 m di diametro dentro cui si trova una sorgente di calore radioattivo prodotta dalCo. Si è calcolato che una tale sonda raggiungerà laMohooceanica in meno di sei mesi e in pochi decenni conseguirà profondità minime di ben oltre 100 km sotto la litosfera sia oceanica che continentale.