4. Estructura i dinàmica interna de la Terra

4.1 L’estudi de l’estructura interna de la Terra

Per estudiar i saber com és l'interior de la Terra, els geòlegs recorren als terratrèmols, també anomenats sismes, de la mateixa manera que la medicina recorre a tecnologies com els rajos X, escàners o ecografies.

Els terratrèmols són tremolors de la Terra causats per sacsejades brusques de l'escorça terrestre, que són provocades pel desplaçament sobtat de grans masses de rocoses situades a zones de fractura o falles.

A partir del punt de ruptura, anomenat hipocentre o focus, es propaguen vibracions en forma d'ones sísmiques que formen fronts d'ones esfèriques que viatgen per l'interior de la Terra. Es distingeixen dos tipus d'ones sísmiques. P i S.

El punt de la superfície terrestre on arriben primer aquestes ones és el que està situat més vertical sobre el focus, i es denomina epicentre; a partir d'aquest punt, es generen les ones superficials que causen els efectes catastròfics dels terratrèmols.

Ones primàries (P). Les més ràpides, per la qual cosa són les primeres que arriben als sismògrafs. Les partícules vibren amb la mateixa direcció que l'ona mitjançant moviments de compressió i descompressió.

Són capaces de travessar tant materials sòlids com líquids, encara que redueixen la seva velocitat quan travessen els líquids.

Ones secundàries (S). La seva velocitat és inferior, per la qual cosa els sismògrafs les registren en segon lloc. Les partícules vibren perpendicularment a la trajectòria de l'ona. Només es propaguen a través de materials sòlids, no pels fluids.

Quan les ones passen d'una capa de la Terra a una altra de composició química o comportament dinàmic diferent, es reflecteixen o es refracten, i això dona com a resultat canvis en la velocitat i en la direcció de la seva trajectòria.

Quan analitzen els registres de les ones sísmiques, els sismòlegs interpreten quin és l'estat físic de les capes (rígid, plàstic o fluid) i localitzen a quina profunditat es troben les discontinuïtats sísmiques o separacions entre capes.

Trajectòria de les ones P i S per l'interior de la Terra

S'anomena "zona d'ombra" aquella en què no es reben unes determinades ones.

Al següent gràfic sobre la variació de les ones P i S a la geosfera s'hi distingeixen:

- Les discontinuïtats de Mohorovičić, de Repetti, de Gutenberg i de Wiechert- Lehmann.

- L'escorça, mantell i nucli extern i intern.

* Alfa: ones P

* Beta: ones S

4.2 Models geoquímic i geodinàmic de l'estructura interna de la Terra

A partir del comportament de les ones P i S a l'interior terrestre, la sismologia ens ofereix dos models o representacions:

A. MODEL ESTÀTIC O GEOQUÍMIC

Se centra en la composició de les capes. Des de la superfície cap a l'interior, trobem tres capes: escorça, mantell i nucli, separades entre elles per tres grans discontinuïtats sísmiques, que duen els noms dels seus descobridors (Mohorovičić, Repetti, Gutenberg i Wiechert- Lehmann).

1. Discontinuïtat de Mohorovocic. < 1. Escorça (continental/oceànica)

2. Discontinuïtat de Repetti. 1-2. Mantell superior

3. Discontinuïtat de Gutenberg. 2-3. Mantell inferior

4. Discontinuïtat de Wiechert-Lehmann. 3-4. Nucli extern

> 4. Nucli intern

Escorça. Està constituïda majoritàriament per silicats d'alumini. La seva naturalesa i història és diferentals fons oceànics que als continents, per la qual cosa se'n distingeixen dos tipus: escorça continental (més gruixuda, entre 30-70km) i escorça oceànica (més prima, entre 5-10km).

Mantell. És una capa de roques ígnies (magmàtiques) riques en silicats de ferro i magnesi, com la peridotita, el mineral principal del qual és l'olivina. Es divideix en mantell superior i mantell inferior, separats per una zona de transició (670km) en què les propietats físiques de les roques del mantell superior van variant a causa de l'increment de pressió i temperatura, cosa que dona lloc a materials més densos.

Nucli. Format per ferro gairebé pur, mesclat amb un petit percentatge de níquel i sulfurs de ferro. Té dues parts amb un estat físic diferent: nucli extern, en estat líquid, i nucli intern, en estat sòlid.

La fluïdesa del nucli extern és semblant a la de l'aigua, i està agitat per violents corrents de convecció que originen el camp magnètic terrestre o magnetosfera.

* Gradient geotèrmic: increment de la TºC a mesura que augmenta la profunditat de la geosfera. Aquesta calor es considera deguda a la calor residual del moment de formació del planeta per acreció (20%) i a la desintegració d'isòtops radioactius (80%), i s'estima que augmenta a un ritme mitjà de 10ºC/Km, fins a situar-se al voltant dels 7000ºK (uns 6700ºC).

* Increment de pressió: a mesura que augmentem la profunditat, la pressió dels materials incrementen la pressió en magnituds molt elevades, en una estimació de fins a 360 GPa a la part més profunda del nucli intern. Això són 3.000.000 d'atmosferes (atm.). Per poder fer-nos una idea, cada 10 metres de profunditat al mar la pressió augmenta en 1 atm., és a dir, a l'interior de la fossa de les Marianes la pressió és d'unes 1000 atm.

Quan s'augmenta la pressió sobre una substància, aquesta varia els seus punts de fusió i ebullició, i es desplacen cap a dalt. El ferro, per exemple (TºC de fusió de 1538ºC a 1 atm. de pressió): és el component majoritari del nucli, i es troba en estat líquid al nucli extern, però sòlid a l'intern, malgrat la temperatura és més elevada aquí. Això és degut al continu augment de pressió: malgrat la temperatura sigui més alta, la pressió fa que el punt de fusió del ferro també sigui més elevat, i que calgui major temperatura per fondre'l.

B. MODEL GEODINÀMIC

El segon model sobre l'estructura interna de la Terra es basa en l'estat físic de les capes (plasticitat, rigidesa o densitat) i en les seves propietats mecàniques com a resposta a les pressions i a tempertures a què estan sotmeses.

El model geodinàmic concep la Terra com una màquina tèrmica, en què l'agitació d'àtoms i molècules produïda pels canvis de temperatura modifica l'estructura i la composició dels materials i, per tant, genera moviments i pressions que s'alliberen lentament o bruscament, i que transformen l'energia tèrmica en energia mecànica. Des d'aquest punt de vista, de la superfície fins a l'interior hi ha les capes següents: litosfera, astenosfera, mesosfera, zona D" (*) i endosfera.

(*) Zona / Capa / Nivell D" ("D doble prima").

Litosfera

La part més externa del mantell superior està fermament unida a l’escorça i hi forma un conjunt rígid, la litosfera, que és de dos tipus: la litosfera oceànica i la continental. Quan l’arrosseguen els moviments del mantell sublitosfrèric, es fragmenta en grans blocs anomenats plaques litosfèriques, que encaixen entre elles i estan sotmesos a moviments horitzontals, la tectònica de plaques, o verticals, els ajustos isostàtics.

Astenosfera o mantell superior sublitosfèric

Situada entre litosfera i la mesosfera. Després d'anys de controvèrsia sobre la seva existència actualment es considera que coincideix amb el mantell superior.

És una capa plàstica que mostra tendència a fluir com a resposta a esforços aplicats durant llargs períodes de temps, com els que actuen durant els moviments de la litosfera.

Mesosfera

Comprèn la regió del mantell inferior, des de 670 quilòmetres de profunditat, fins a la capa D”. Encara que és sòlida, és capaç de fluir molt lentament (pocs centímetres l'any) i, així mateix, permet el descens de plaques litosfèriques fredes procedents de la zona de subducció i l'ascens dels plomalls de magma procedents de la zona D”.

Zona / capa / nivell D"

És una de les zones més dinàmiques del planeta. Acumula calor procedent del nucli extern i se n'escapen, de forma episòdica, els anomenats plomalls tèrmics, columnes de magma que molt calent que arriben a la litosfera i la perforen, i que i originen els anomenats punts calents amb una activitat volcànica intensa, com les Illes Hawaii.

Endosfera

Coincideix amb el nucli (intern i extern) del model geoquimic. La calor del nucli intern, sòlid, es propaga al nucli extern, líquid, i genera corrents de convecció que evacuen la calor cap a l'exterior i l’acumulen a la zona o capa D”.

D'altra banda, aquests corrents de convecció són els causants del camp magnètic terrestre.

El camp magnètic consisteix en línies de força invisibles que travessen la Terra i s'estenen d'un pol magnètic a un altre. Aquests pols no coincideixen exactament amb els pols geogràfics, sinó que estan separats per una distància que varia amb el temps. Actualment la diferència és d’uns 11 graus, que equival a undesplaçament sobre la superfície d’uns 1600 km de distància al pol nord geogràfic.