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