Mantello (geologia)

Mappatura dell’interno della Terra con onde sismiche.

Le rocce del mantello a meno di 400 km di profondità consistono principalmente di olivina, pirosseni, spinello e granato; i tipi di roccia tipici sono peridotite, dunite (peridotite ricca di olivina) ed eclogite. Tra circa 400 km e 650 km di profondità, l’olivina non è stabile ed è sostituita da polimorfi ad alta pressione con circa la stessa composizione: un polimorfo è la wadsleyite (chiamata anche tipo beta-spinel), e l’altro è la ringwoodite (un minerale con struttura gamma-spinel). Al di sotto di circa 650 km, tutti i minerali del mantello superiore cominciano a diventare instabili. I minerali più abbondanti presenti hanno strutture (ma non composizioni) come quella del minerale perovskite seguito dal ferropericlasio, ossido di magnesio e ferro. I cambiamenti nella mineralogia a circa 400 e 650 km producono firme distintive nelle registrazioni sismiche dell’interno della Terra e, come il moho, sono facilmente rilevabili utilizzando le onde sismiche. These changes in mineralogy may influence mantle convection, as they result in density changes and they may absorb or release latent heat as well as depress or elevate the depth of the polymorphic phase transitions for regions of different temperatures. The changes in mineralogy with depth have been investigated by laboratory experiments that duplicate high mantle pressures, such as those using the diamond anvil.

Why is the inner core solid, the outer core liquid, and the mantle solid/plastic? The answer depends both on the relative melting points of the different layers (nickel-iron core, silicate crust and mantle) and on the increase in temperature and pressure as one moves deeper into the Earth. At the surface both nickel-iron alloys and silicates are sufficiently cool to be solid. In the upper mantle, the silicates are generally solid (localized regions with small amounts of melt exist); however, as the upper mantle is both hot and under relatively little pressure, the rock in the upper mantle has a relatively low viscosity. Al contrario, il mantello inferiore è sotto un’enorme pressione e quindi ha una viscosità superiore a quella del mantello superiore. Il nucleo esterno di nichel-ferro metallico è liquido nonostante l’enorme pressione, poiché ha un punto di fusione più basso dei silicati del mantello. Il nucleo interno è solido a causa della pressione schiacciante che si trova al centro del pianeta.

Temperatura

Nel mantello, le temperature variano da 500 °C a 900 °C (932 °F-1.652 °F) al confine superiore con la crosta a oltre 4000 °C (7200 °F) al confine con il nucleo. Sebbene le temperature più elevate superino di gran lunga i punti di fusione delle rocce del mantello in superficie (circa 1200 °C per una peridotite rappresentativa), il mantello è quasi esclusivamente solido. L’enorme pressione litostatica esercitata sul mantello impedisce la fusione, perché la temperatura alla quale inizia la fusione (il solidus) aumenta con la pressione.

Movimento

A causa della differenza di temperatura tra la superficie terrestre e il nucleo esterno, e della capacità delle rocce cristalline ad alta pressione e temperatura di subire una deformazione lenta, strisciante e viscosa per milioni di anni, c’è una circolazione convettiva di materiale nel mantello. Il materiale caldo sale come diapiro plutonico (un po’ come una lampada di lava), forse dal confine con il nucleo esterno (vedi pennacchio del mantello), mentre il materiale più freddo (e pesante) sprofonda verso il basso. Questo avviene spesso sotto forma di downwellings litosferici su larga scala ai confini di placca chiamati zone di subduzione. Durante la risalita il materiale del mantello si raffredda sia adiabaticamente che per conduzione nel mantello circostante più freddo. La temperatura del materiale si abbassa con il calo di pressione connesso alla risalita, e il suo calore si distribuisce su un volume maggiore. Poiché la temperatura alla quale inizia la fusione diminuisce più rapidamente con l’altezza rispetto a quella di un pennacchio caldo in ascesa, la fusione parziale può avvenire appena sotto la litosfera e causare vulcanismo e plutonismo.

La convezione del mantello terrestre è un processo caotico (nel senso della fluidodinamica), che si pensa sia parte integrante del moto delle placche. Il movimento delle placche non deve essere confuso con il termine più antico di deriva dei continenti, che si applica esclusivamente al movimento delle componenti crostali dei continenti. I movimenti della litosfera e del mantello sottostante sono accoppiati poiché la litosfera discendente è una componente essenziale della convezione nel mantello. La deriva dei continenti osservata è una relazione complicata tra le forze che fanno sprofondare la litosfera oceanica e i movimenti all’interno del mantello terrestre.

Anche se c’è una tendenza a una maggiore viscosità a una maggiore profondità, questa relazione è tutt’altro che lineare, e mostra strati con viscosità drasticamente diminuita, in particolare nel mantello superiore e al confine con il nucleo. Il mantello entro circa 200 km sopra il confine tra nucleo e mantello sembra avere proprietà sismiche nettamente diverse dal mantello a profondità leggermente inferiori; questa insolita regione di mantello appena sopra il nucleo è chiamata D″ (“D double-prime” o “D prime prime”), una nomenclatura introdotta oltre 50 anni fa dal geofisico Keith Bullen. D″ potrebbe essere costituito da materiale proveniente da lastre subdotte che sono scese e si sono fermate al confine tra nucleo e mantello e/o da un nuovo polimorfo minerale scoperto nella perovskite chiamato post-perovskite.

A causa della viscosità relativamente bassa del mantello superiore si potrebbe pensare che non ci dovrebbero essere terremoti al di sotto di circa 300 km di profondità. Tuttavia, nelle zone di subduzione, il gradiente geotermico può essere abbassato dove il materiale freddo dalla superficie affonda verso il basso, aumentando la forza del mantello circostante, e permettendo ai terremoti di verificarsi fino ad una profondità di 400 km e 670 km.

La pressione sul fondo del mantello è ~136 GPa (1,4 milioni di atm). Esiste una pressione crescente man mano che ci si addentra nel mantello, poiché il materiale sottostante deve sostenere il peso di tutto il materiale sovrastante. Si pensa comunque che l’intero mantello si deformi come un fluido su lunghe scale temporali, con deformazioni plastiche permanenti accomodate dal movimento di difetti puntiformi, lineari e/o planari attraverso i cristalli solidi che compongono il mantello. Le stime della viscosità del mantello superiore oscillano tra 1019 e 1024 Pa-s, a seconda della profondità, della temperatura, della composizione, dello stato di stress e di numerosi altri fattori. Pertanto, il mantello superiore può scorrere solo molto lentamente. Tuttavia, quando al mantello superiore vengono applicate grandi forze, esso può indebolirsi e si pensa che questo effetto sia importante per la formazione dei confini delle placche tettoniche.

Esplorazione

L’esplorazione del mantello è generalmente condotta sul fondo del mare piuttosto che sulla terraferma a causa della relativa sottigliezza della crosta oceanica rispetto alla crosta continentale, molto più spessa.

Il primo tentativo di esplorazione del mantello, noto come Progetto Mohole, fu abbandonato nel 1966 dopo ripetuti fallimenti e superamento dei costi. La penetrazione più profonda è stata di circa 180 m. Nel 2005 il terzo foro oceanico più profondo ha raggiunto 1416 metri sotto il fondo del mare dalla nave di perforazione oceanica JOIDES Resolution.

Il 5 marzo 2007, un team di scienziati a bordo della RRS James Cook si è imbarcato in un viaggio verso una zona del fondo del mare atlantico dove il mantello è esposto senza alcuna copertura di crosta, a metà strada tra le isole di Capo Verde e il Mar dei Caraibi. Il sito esposto si trova a circa tre chilometri sotto la superficie dell’oceano e copre migliaia di chilometri quadrati.

Un tentativo relativamente difficile di recuperare campioni dal mantello terrestre era previsto per la fine del 2007. Come parte della missione Chikyu Hakken, era di usare la nave giapponese ‘Chikyu’ per perforare fino a 7000 m (23.000 piedi) sotto il fondo del mare. Questo è quasi tre volte più profondo delle precedenti perforazioni oceaniche.

Un nuovo metodo per esplorare le centinaia di km più in alto della Terra è stato recentemente analizzato, che consiste in una piccola sonda densa e generatrice di calore che fonde la sua strada attraverso la crosta e il mantello mentre la sua posizione e il suo progresso sono seguiti da segnali acustici generati nelle rocce. La sonda consiste in una sfera esterna di tungsteno di ~ 1 m di diametro all’interno della quale si trova una fonte di calore radioattivo a 60Co. È stato calcolato che tale sonda raggiungerà la Moho oceanica in meno di 6 mesi e raggiungerà profondità minime di ben oltre 100 km in pochi decenni sotto la litosfera sia oceanica che continentale.

Vedi anche

• Crosta (geologia)
• Tettonica terrestre
• Tettonica a placche
• Volcano

Note

• Burns, Roger George. 1993. Mineralogical Applications of Crystal Field Theory. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0521430771.
• Coltorti, M., and M. Gregoire. 2008. Metasomatism in Oceanic & Continental Lithospheric Mantle. Londra, Regno Unito: Geological Society Pub House. ISBN 1862392420

• Condie, Kent C. 2001. Mantle Plumes and Their Record in Earth History. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0521014727

• Condie, Kent C. 2005. La Terra come sistema planetario in evoluzione. Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0120883929
• Ojovan, M.I., e F.G.F. Gibb. “Esplorare la crosta terrestre e il mantello usando sonde autoscendenti, riscaldate dalle radiazioni, e il monitoraggio delle emissioni acustiche”. Capitolo 7, in Arnold P. Lattefer, 2008. Ricerca sulle scorie nucleari: Siting, Technology and Treatment. New York, NY: Nova Science Publishers. ISBN 9781604561845.
• Van der Pluijm, Ben A., and Stephen Marshak. 2004. Struttura della Terra: An Introduction to Structural Geology and Tectonics, 2nd ed. New York: W.W. Norton. ISBN 039392467X

• Vogt, Gregory. 2007. Il nucleo e il mantello della Terra: Metallo pesante, roccia in movimento. Minneapolis, MN: Twenty-First Century Books. ISBN 978-0761328377

All links retrieved August 10, 2018.

• Don L. Anderson, Theory of the Earth, Blackwell (1989). (A textbook dealing with the Earth’s interior now available on the web.)
• Project Mohole.