Estrutura Interna da Terra
Universidade Federal do Vale do São FranciscoCampus Serra da Capivara
Colegiado de Ciências da Natureza
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 interiorda Terra?
Terra - Generalidades
• Forma:
• Corpo esferóide achatado nospólos e dilatado no equador;
• Diâmetro polar - 12.714 km;Raio polar – ~6.357 km
• Diâmetro equatorial - 12.756km; 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);
• 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.Granito (Quartzo, Feldspato e Mica) – Crosta terrestre.
• Século IV a. C. (Filósofos gregos) –Terra era um sólido estacionárioenvolto por outro que constituía océu;
• Fim do século VII – AthanasiusKircher propõe um modelo da Terrasólida que possuía dutos conectadosa materiais parcialmente fundidosque alimentavam os vulcões;
• Séc. XVI Galileu estudos de movimentosem queda livre;
• Isaac Newton publica seus trabalhos(1687), gravitação universal; (SéculoXVIII) – estimativas da densidade daTerra (4,5 g/cm³ = massa total/volumeTerra) – perceberam que havia rochasmais densas no interior que os granitossuperficiais.
• Densidade da Terra cresce de 2,5g/cm³na superfície até 10 – 15g/cm³ no seucentro;
Métodos de investigação do interior da Terra
• Diretos – observação do material que extravasa (magma), rochas queascenderam do interior, sondagem*, minas;
Peridotito
• Métodos diretos – dificuldade ematingir altas profundidades:
• Tecnologia ainda indisponível;
• Gradiente geotérmico (> 1° C acada 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 – sismologia (ondas sísmicas)
http://neic.usgs.gov/neis/eq_depot/2002/eq_021103/ak_seismic_waves.html
Indiretos – análise do comportamento das ondas sísmicas no interior da Terra.
Ondas Sísmicas
• Sismologia – ciência que estuda os terremotos;
• Richard Oldham (1906) – possibilidade de seconhecer a constituição interna da Terra porpropagação de ondas geradas por terremotos;
• Em 1909 em Zagreb Andrija Mohorovicic analisouondas sísmicas desta região definindo a crostaterrestre e a transição entre a crosta e o manto(Moho);
• 1936, sismóloga Inge Lehmann – Propõe parte maisprofunda composta de um núcleo sólido;
Em apenas 30 anos, estrutura interna praticamente definida
Ondas sísmicas – vibrações que se propagam pelo planeta e são detectadaspelos sismógrafos;
Ou Foco
Falha
• Quando ocorre uma ruptura no interiorda Terra, são geradas vibrações que sepropagam em todas as direções(semelhante às ondas sonoras – no ar);
• Geração de sismo – acúmulo eliberação de esforços em uma ruptura(Figura);
• Hipocentro ou foco: ponto de rupturainicial 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;
http://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/waves/Pwave.htm
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)
2. Ondas transversais ou S (secundárias) = propagam-se perpendicularmente à direção depropagação (figura); propagam-se apenas em sólidos;
http://www.tjhsst.edu/~jlafever/wanimate/Wave_Properties2.html
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)
• 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 hátransferência suficiente de energia no fluido, pois as ligações químicas não retornam as moléculas iniciaisà sua posição primária;
• Isso ocorre porque no sólido, após a passagem da onda, a rocha ou um sólido qualquer mantém suaforma. Num copo com água, se retiramos o copo, a água perderá sua forma quando ainda no copo (fluidosnão possuem cisalhamento suficiente);
Reflexão e Refração de Ondas
• Reflexão – fenômeno em queas ondas incidentes tendema voltar para o meio de ondevieram; Geralmente ocorrenos limites das camadasinternas;
• Refração – ocorre quando a onda incidente se propaga de um meio para ooutro, ocorrendo desvio em sua trajetória;
Raio de luz sofre desvio na sua trajetória ao sepropagar no limite ar-água
Reflexão e Refração ocorrem simultaneamente
• Análise de milhares de terremotos por décadas permitiu a construção decurvas 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 ummeio para outro; conversão de onda P para S pode ocorrer e vice-versa;repartição de energia entre duas ondas;
Lei de Snell – a velocidade derefração 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 pelasdiferentes 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 horizontalSismógrafo vertical
Análise de propagação devárias estaçõessismográficas no mundopossibilitou inferir sobre aestrutura interna da Terra;
Ondas P muitofracas
Só ondas P sãosentidas
Zona desombra
Ondas S absorvidas
Ondas P refratadas no limite do núcleoexterno
• Análise de propagação de váriasestações sismográficas no mundopossibilitou inferir sobre aestrutura interna da Terra;
• Modelo de propagação de ondasP e S no interior da Terra;
• Observar região de cor cinzaindicando uma zona de sombra(não há propagação de ondas Pnessa região – intervalo entre105° e 140° - referência demedida é um eixo imagináriopartindo do epicentro);
• Crosta (25 – 50 km nos continentes e 5 - 10 km nos oceanos) – rochassedimentares, 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 aoflutuar desloca uma massa de águaequivalente à sua – semelhante aosicebergs;
Modelo de Airy
Modelo de Pratt
Os modelos de Airy e Pratt ocorrem simultaneamente na natureza
Soerguimento e Subsidência
• Soerguimento – Elevação dasuperfície terrestredecorrentes de processosgeológicos;
• Subsidência – processo derebaixamento da superfícieterrestre por processostectônico (rifteamento) ounão-tectônicos (explotaçãode água subterrânea);
Subsidência (rifteamento)
• Manto (Abaixo da crosta até2.950 km):
1. Manto superior: abaixo dazona de baixa velocidade(ap. 400 km de prof.) ricoem rochas peridotíticas(olivinas + piroxênios = Mg,Ca) rochas com densidadeentre 3,2 – 3,7 g/cm³;
2. Manto inferior: intervaloentre 650 – 2900 km ricoem silicatosferromagnesianos (Mg, Fe,Al) a densidade aumentapara 4,0 a 5,0 g/cm³;
• Litosfera* (Crosta + porção superior do manto):
• Crosta continental + Crostaoceânica + parte superior rígidado manto acima da zona de baixavelocidade (Astenosfera);
• Abaixo disto o manto é plástico, T>;
• Descontinuidade entre 400 e650km de profundidade (>densidade) ; alguns elementospesados presentes (Fe?);
• Astenosfera (zona de baixavelocidade) – região onde ascondições de P, T e densidadesão um pouco maiores e acomposição das rochas máficas(2% desta porção em estadolíquido – fusão parcial);
• Localizada entre Moho e ~ 400km;
• Característica plástica ao longodo tempo geológico;
• Núcleo externo – (2.950 – 5.100km) velocidades das ondas Pdiminuem enquanto que as ondasS não se propagam (estado líquido– material metálico em estado defusão);
• Composto por liga metálica de Fe-Ni, com densidade < que as ligasnaturais; provavelmente contenhaelementos de nº atômico baixo,como: H, O, Na, Mg e S.
Núcleo Externo
• O campo magnético da Terra é atribuído aum mecanismo de dínamo (a rotação daTerra iniciou o movimento do núcleo externolíquido);
• O fluido metálico está em movimento sobre ainterface sólida de Ferrosa do núcleo internoe em convecção, gerando correntes elétricasjuntamente que formam o campo magnéticoterrestre dipolar;
Inversão do campo magnético
• Núcleo interno – (5.100 - 6.370km) composto de liga metálicaFe-Ni (sólido = meteoritos eplanetologia comparada) comdensidade calculada = a da liga;velocidade das ondas > núcleoexterno;
• A sismóloga dinamarquesa IngeLehmann em 1936, descobre onúcleo interno. Ao analisar ospadrões de refração dessasondas na face externa donúcleo, concluiu que esteencontra-se a 5.150 km deprofundidade.
Núcleo Interno
Sideritos e o Núcleo Terrestre
• Meteoritos – são fragmentos que caem na Terra devido a força de atraçãogravitacional;
• 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 (nãodiferenciados) – são aqueles formadospor aglutinação de pequenas gotasquentes que vagavam no sistema solare que se aglutinaram por meio dagravidade (nebulosa);
• Caracteriza-se por apresentar côndrulos epor não ter sofrido diferenciaçãogeoquímica;
• Os côndrulos seriam as pequenas gotasquentes (2000 °C) cristalizadas quecompõe a textura destes tipos demeteoritos. Possuem formas esferóides(0,5 mm – 1 mm) compostas de óxidos desilício. Os espaços entre os côndrulos sãocompostos por ligas metálicas de Fe e Niou sulfetos desses elementos;
Côndrulos
• Meteoritos Acondritos(Diferenciados) – formados poraglutinação de partículas quesofreram diferenciação geoquímica;
• Após um aumento progressivo damassa, esta atinge um limite crítico detamanho que dá início ao processo defusão interna por liberação de energiado decaimento radioativo dos isótoposaprisionados; Em seguida, ocorre adiferenciação geoquímica doselementos formando uma estruturasemelhante a estrutura interna daTerra (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)800 – 3.900
4.0 – 5.0 De 650 km até o limite Manto-Núcleo
10 Núcleo externo 3.900 – 4.300
11.5 Núcleo interno 4.300
Descontinuidades• Descontinuidades de propagação das ondas sísmicas indicam mudanças doestado físico e composicionais; limites entre camadas e áreas transicionais;
Descontinuidades:
1. Conrad: limite crosta continental superior (- densa: siálica) com crostaoceânica 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 entreo manto e núcleo externo;aprox. 2.800 km as ondasS 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 (fusãoparcial);
• 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