Estrutura Interna da Terra

Universidade Federal do Vale do São Francisco
Campus Serra da Capivara
Colegiado de Ciências da Natureza
Estrutura Interna da Terra
Sumário
• Terra – Generalidades;
• Métodos de investigação do interior da Terra;
• Ondas sísmicas;
• Tipos de ondas sísmicas;
• Composição e propriedades das camadas da Terra;
• Descontinuidades;
• Camadas da Terra vs Placas Tectônicas;
O que há no interior
da Terra?
Terra - Generalidades
• Forma:
• Corpo esferóide achatado nos
pólos e dilatado no equador;
• Diâmetro polar - 12.714 km;
Raio polar – ~6.357 km
• Diâmetro equatorial - 12.756
km; Raio equatorial – ~6378 km
• Achatamento nos pólos aferido ao movimento rotacional;
• g = ag + ac
• ac = direção perpendicular ao eixo varia em função da distância;
• g coincide com ag somente nos pólos (por isso o achatamento);
• Densidade – aprox. 5,52 g/cm³
• Rochas crustrais em torno de 2,7g/cm³ a 3g/cm³ (Rochas das camadas mais internas > densidade);
Granito (Quartzo, Feldspato e Mica) – Crosta terrestre.
Peridotito (Olivina + Piroxênio) - Manto superior.
• Composição – 90% da Terra constitui-se de apenas 4 elementos:
• Ferro, Oxigênio, Silício e Magnésio;
• Alumínio, Cálcio, Enxofre e Níquel (9%);
• Outros elementos (<1%);
• Século IV a. C. (Filósofos gregos) –
Terra era um sólido estacionário
envolto por outro que constituía o
céu;
• Fim do século VII – Athanasius
Kircher propõe um modelo da Terra
sólida que possuía dutos conectados
a materiais parcialmente fundidos
que alimentavam os vulcões;
• Séc. XVI Galileu estudos de movimentos
em queda livre;
• Isaac Newton publica seus trabalhos
(1687), gravitação universal; (Século
XVIII) – estimativas da densidade da
Terra (4,5 g/cm³ = massa total/volume
Terra) – perceberam que havia rochas
mais densas no interior que os granitos
superficiais.
• Densidade da Terra cresce de 2,5g/cm³
na superfície até 10 – 15g/cm³ no seu
centro;
Métodos de investigação do interior da Terra
• Diretos – observação do material que extravasa (magma), rochas que
ascenderam do interior, sondagem*, minas;
Peridotito
• Métodos diretos – dificuldade em
atingir altas profundidades:
• Tecnologia ainda indisponível;
• Gradiente geotérmico (> 1° C a
cada 30 m de profundidade);
• Furo mais profundo na Terra realizado na década de 1960 – 12 km em Kola,
antiga URSS (Atual Rússia) - OBS: Raio da Terra = 6.370 km.
Indiretos – análise do comportamento das ondas sísmicas no interior da Terra.
http://neic.usgs.gov/neis/eq_depot/2002/eq_021103/ak_seismic_waves.html
• Indiretos – sismologia (ondas sísmicas)
Ondas Sísmicas
• Sismologia – ciência que estuda os terremotos;
• Richard Oldham (1906) – possibilidade de se
conhecer a constituição interna da Terra por
propagação de ondas geradas por terremotos;
• Em 1909 em Zagreb Andrija Mohorovicic analisou
ondas sísmicas desta região definindo a crosta
terrestre e a transição entre a crosta e o manto
(Moho);
• 1936, sismóloga Inge Lehmann – Propõe parte mais
profunda composta de um núcleo sólido;
Em apenas 30 anos, estrutura
interna praticamente definida
Ondas sísmicas – vibrações que se propagam pelo planeta e são detectadas
pelos sismógrafos;
Ou Foco
Falha
• Quando ocorre uma ruptura no interior
da Terra, são geradas vibrações que se
propagam em todas as direções
(semelhante às ondas sonoras – no ar);
• Geração de sismo – acúmulo e
liberação de esforços em uma ruptura
(Figura);
• Hipocentro ou foco: ponto de ruptura
inicial e deslocamento;
• Epicentro: projeção do foco na superfície;
Tipos de Ondas Sísmicas
• Principais ondas sísmicas:
1. Ondas longitudinais ou P = propagam-se paralelas à direção de propagação;
propagam-se tanto em sólidos, líquidos e gases;
Vp ~ 5 – 7 km/s (Crosta)
Vp >~ 8 km/s (Manto e Núcleo)
Vp 1,5 km/s (Água)
Vp 0,3 km/s (Ar)
http://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/waves/Pwave.htm
2. Ondas transversais ou S (secundárias) = propagam-se perpendicularmente à direção de
propagação (figura); propagam-se apenas em sólidos;
Vp ~ 3 – 4 km/s (Crosta)
Vp >~ 4,5 km/s (Manto)
Vp 2,5 – 3 km/s (Núcleo Sólido)
Não se propaga em fluidos como ar,
água e rocha fundida (magma)
http://www.tjhsst.edu/~jlafever/wanimate/Wave_Properties2.html
• Ondas de superfície – combinação das ondas P e S;
1. Ondas Love (ondas longas) = propagação transversal e perpendicular à direção de
propagação na superfície;
http://www.tjhsst.edu/~jlafever/wanimate/Wave_Properties2.html
2. Ondas Rayleigh – onda de comprimento longo que se propaga por deformação;
partículas movimentam-se em órbitas elipsóides;
http://www.tjhsst.edu/~jlafever/wanimate/Wave_Properties2.html
Experimento – Demonstração de Onda Humana
• Ondas P em sólidos e líquidos se propagam;
• A propagação longitudinal ao meio transfere energia entre as moléculas.
Por causa das ligações químicas, os átomos retornam a posição inicial;
http://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/slinky/slinky.htm#Waves_Water
• Ondas S, propagam-se transversalmente ao meio apenas em sólidos (Figura abaixo).
• No líquido, as ligações são fracas entre as moléculas. Devido à propagação transversal, não há
transferência suficiente de energia no fluido, pois as ligações químicas não retornam as moléculas iniciais
à sua posição primária;
• Isso ocorre porque no sólido, após a passagem da onda, a rocha ou um sólido qualquer mantém sua
forma. Num copo com água, se retiramos o copo, a água perderá sua forma quando ainda no copo (fluidos
não possuem cisalhamento suficiente);
Reflexão e Refração de Ondas
• Reflexão – fenômeno em que
as ondas incidentes tendem
a voltar para o meio de onde
vieram; Geralmente ocorre
nos limites das camadas
internas;
• Refração – ocorre quando a onda incidente se propaga de um meio para o
outro, ocorrendo desvio em sua trajetória;
Reflexão e Refração ocorrem simultaneamente
Raio de luz sofre desvio na sua trajetória ao se
propagar no limite ar-água
• Análise de milhares de terremotos por décadas permitiu a construção de
curvas tempo-distância de ondas refratadas e refletidas no interior da Terra;
• Dedução da estrutura principal e propriedade de cada camada;
• A direção de propagação das ondas sísmicas muda (refrata) ao passar de um
meio para outro; conversão de onda P para S pode ocorrer e vice-versa;
repartição de energia entre duas ondas;
Lei de Snell – a velocidade de
refração varia em função do meio
(índice de refração);
V1 = senθ1
V2 senθ2
a) O ângulo de V1 é menor que em
V2, logo, V2 > V1
• As ondas P e S se comportam diferentes ao passar pelas
diferentes camadas da Terra;
Ao encontrar uma descontinuidade (zona de
sombra), o ângulo diminui drasticamente assim
como a velocidade;
• As ondas são registradas por aparelhos chamados sismógrafos;
• Deve ter um ponto estacionário não fixo em relação à Terra;
• Medida do quanto o chão se move com relação ao ponto fixo estacionário;
Sismógrafo vertical
Sismógrafo horizontal
Ondas P muito
fracas
Análise de propagação de
várias
estações
sismográficas no mundo
possibilitou inferir sobre a
estrutura interna da Terra;
Ondas S absorvidas
Ondas P refratadas no limite do núcleo
externo
Só ondas P são
sentidas
Zona
de
sombra
• Análise de propagação de várias
estações sismográficas no mundo
possibilitou inferir sobre a
estrutura interna da Terra;
• Modelo de propagação de ondas
P e S no interior da Terra;
• Observar região de cor cinza
indicando uma zona de sombra
(não há propagação de ondas P
nessa região – intervalo entre
105° e 140° - referência de
medida é um eixo imaginário
partindo do epicentro);
• Crosta (25 – 50 km nos continentes e 5 - 10 km nos oceanos) – rochas
sedimentares, metamórficas e ígneas (níveis rasos e profundos);
Subdivisão:
1. Crosta continental – rochas graníticas (rochas graníticas - Si e Al) < densidade;
2. Crosta oceânica – (rochas basálticas - Si e Mg) > densidade;
Princípio da Isostasia
Princípio da Isostasia
• Baseado no princípio de Arquimedes
(equilíbrio hidrostático) – um corpo ao
flutuar desloca uma massa de água
equivalente à sua – semelhante aos
icebergs;
Modelo de Airy
Modelo de Pratt
Os modelos de Airy e Pratt ocorrem simultaneamente na natureza
Soerguimento e Subsidência
• Soerguimento – Elevação da
superfície
terrestre
decorrentes de processos
geológicos;
• Subsidência – processo de
rebaixamento da superfície
terrestre por processos
tectônico (rifteamento) ou
não-tectônicos (explotação
de água subterrânea);
Subsidência (rifteamento)
• Manto (Abaixo da crosta
2.950 km):
até
1. Manto superior: abaixo da
zona de baixa velocidade
(ap. 400 km de prof.) rico
em rochas peridotíticas
(olivinas + piroxênios = Mg,
Ca) rochas com densidade
entre 3,2 – 3,7 g/cm³;
2. Manto inferior: intervalo
entre 650 – 2900 km rico
em
silicatos
ferromagnesianos (Mg, Fe,
Al) a densidade aumenta
para 4,0 a 5,0 g/cm³;
• Litosfera* (Crosta + porção superior
do manto):
• Crosta continental + Crosta
oceânica + parte superior rígida
do manto acima da zona de baixa
velocidade (Astenosfera);
• Abaixo disto o manto é plástico, T
>;
• Descontinuidade entre 400 e
650km de profundidade (>
densidade) ; alguns elementos
pesados presentes (Fe?);
• Astenosfera (zona de baixa
velocidade) – região onde as
condições de P, T e densidade
são um pouco maiores e a
composição das rochas máficas
(2% desta porção em estado
líquido – fusão parcial);
• Localizada entre Moho e ~ 400
km;
• Característica plástica ao longo
do tempo geológico;
• Núcleo externo – (2.950 – 5.100
km) velocidades das ondas P
diminuem enquanto que as ondas
S não se propagam (estado líquido
– material metálico em estado de
fusão);
• Composto por liga metálica de FeNi, com densidade < que as ligas
naturais; provavelmente contenha
elementos de nº atômico baixo,
como: H, O, Na, Mg e S.
Núcleo
Externo
• O campo magnético da Terra é atribuído a
um mecanismo de dínamo (a rotação da
Terra iniciou o movimento do núcleo externo
líquido);
• O fluido metálico está em movimento sobre a
interface sólida de Ferrosa do núcleo interno
e em convecção, gerando correntes elétricas
juntamente que formam o campo magnético
terrestre dipolar;
Inversão do campo magnético
• Núcleo interno – (5.100 - 6.370
km) composto de liga metálica
Fe-Ni (sólido = meteoritos e
planetologia comparada) com
densidade calculada = a da liga;
velocidade das ondas > núcleo
externo;
Núcleo
Interno
• A sismóloga dinamarquesa Inge
Lehmann em 1936, descobre o
núcleo interno. Ao analisar os
padrões de refração dessas
ondas na face externa do
núcleo, concluiu que este
encontra-se a 5.150 km de
profundidade.
Sideritos e o Núcleo Terrestre
• Meteoritos – são fragmentos que caem na Terra devido a força de atração
gravitacional;
• Meteorítica – área da ciência que estuda os meteoritos;
• Apresentam idades entre 4,4 e 4,6 G.a.;
• Formaram-se pelo processo de aglutinação de planetesimais;
• Meteoritos
Condritos
(não
diferenciados) – são aqueles formados
por aglutinação de pequenas gotas
quentes que vagavam no sistema solar
e que se aglutinaram por meio da
gravidade (nebulosa);
• Caracteriza-se por apresentar côndrulos e
por não ter sofrido diferenciação
geoquímica;
• Os côndrulos seriam as pequenas gotas
quentes (2000 °C) cristalizadas que
compõe a textura destes tipos de
meteoritos. Possuem formas esferóides
(0,5 mm – 1 mm) compostas de óxidos de
silício. Os espaços entre os côndrulos são
compostos por ligas metálicas de Fe e Ni
ou sulfetos desses elementos;
Côndrulos
• Meteoritos
Acondritos
(Diferenciados) – formados por
aglutinação de partículas que
sofreram diferenciação geoquímica;
• Após um aumento progressivo da
massa, esta atinge um limite crítico de
tamanho que dá início ao processo de
fusão interna por liberação de energia
do decaimento radioativo dos isótopos
aprisionados; Em seguida, ocorre a
diferenciação
geoquímica
dos
elementos formando uma estrutura
semelhante a estrutura interna da
Terra (camadas);
Sideritos – Composição de liga metálica de Fe e Ni.
• Núcleo externo x Núcleo interno:
Núcleo Externo
Núcleo Interno
Composição
Fe e Ni
Fe e Ni
Estado
Líquido
Sólido (Liga metálica)
10 g/cm³
11.5 g/cm³
H, O, S, Na, Mg
-
Densidade
Elementos adicionais
Densidade e Temperatura
Densidade
(g/cm³)
Camada da Terra
2.5 – 3.0
Crosta (granítica a basáltica)
3.2 – 3.7
Até 400 km (Manto superior)
4.0 – 5.0
De 650 km até o limite Manto-Núcleo
Temperatura (°C)
700 – 800
800 – 3.900
10
Núcleo externo
3.900 – 4.300
11.5
Núcleo interno
4.300
• Descontinuidades de propagação das ondas sísmicas  indicam mudanças do
Descontinuidades
estado físico e composicionais; limites entre camadas e áreas transicionais;
Descontinuidades:
1. Conrad: limite crosta continental superior (- densa: siálica) com crosta
oceânica inferior (+ densa: simática). Ondas sísmicas variam de 6 a 6.8 km/s;
2. Moho (Mohorovicic): limite crosta-manto – mudança abrupta de velocidade de ondas,
indica mudança de composição;
3. Gutemberg: limite entre
o manto e núcleo externo;
aprox. 2.800 km as ondas
S deixam de se propagar
(fusão parcial);
• Descontinuidade de Lehmann: limite entre o núcleo externo e interno,
indicando mudança de estado físico;
Camadas da Terra vs Placas Tectônicas
• Placas tectônicas: camadas litosféricas rígidas (crosta + manto superior);
• Astenosfera: região do manto superior com comportamento plástico (fusão
parcial);
• Placas rígidas deslizam sobre astenosfera plástica = Tectônica global.
Recapitulando
• O que há no interior da Terra?
• Como estudar sua estrutura interna?
• Qual a importância desses estudos?
Próxima aula
Aula 04
Tectônica de Placas