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 = a g + a c a c = direção perpendicular ao eixo varia em função da distância; g coincide com a g 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. Composição 90% da Terra constitui-se de apenas 4 elementos: Ferro, Oxigênio, Silício e Magnésio; Alumínio, Cálcio, Enxofre e Níquel (9%); Outros elementos (<1%); Peridotito (Olivina + Piroxênio) - Manto superior.
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; V p ~ 5 7 km/s (Crosta) V p >~ 8 km/s (Manto e Núcleo) V p 1,5 km/s (Água) V p 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; V p ~ 3 4 km/s (Crosta) V p >~ 4,5 km/s (Manto) V p 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 fenômeno em que as ondas incidentes tendem a voltar para o meio de onde vieram; Geralmente ocorre nos limites das camadas internas; Reflexão e Refração de Ondas
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); V 1 = senθ 1 V 2 senθ 2 a) O ângulo de V 1 é menor que em V 2, logo, V 2 > V 1
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; Só ondas P são sentidas Ondas S absorvidas Ondas P refratadas no limite do núcleo externo Zona sombra de
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 até 2.950 km): 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 Fe- Ni, 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; Côndrulos 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;
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) Densidade 10 g/cm³ 11.5 g/cm³ Elementos adicionais H, O, S, Na, Mg -
Densidade e Temperatura Densidade (g/cm³) Camada da Terra Temperatura ( C) 2.5 3.0 Crosta (granítica a basáltica) 700 800 3.2 3.7 Até 400 km (Manto superior) 4.0 5.0 De 650 km até o limite Manto-Núcleo 800 3.900 10 Núcleo externo 3.900 4.300 11.5 Núcleo interno 4.300
Descontinuidades Descontinuidades de propagação das ondas sísmicas indicam mudanças do 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?
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