Seismology: The hunt for plumes

 

LA CACCIA AI "PLUMES"

 

Tutti i metodi ad alta risoluzione per determinare la struttura interna della Terra, sono basati sull'analisi della propagazione di onde sismiche generate da terremoti o esplosioni. Si tratta di onde elastiche nelle quali la forza di richiamo proviene dalla resitenza dei materiali alla deformazione. In un mezzo a dimensione infinita, queste sono di due principali tipologie: onde di compressione e onde di taglio.  Questo insieme di onde va a comporre le cosidette onde di volume, che si propagano all'interno della Terra.

Le onde sismiche all'interno della Terra viaggiano ad una velocità di diversi chilometri per second, con la velocità delle onde di compressione (Vp) generalmente 1,7 volte maggiore di quella delle onde di taglio (Vs). La velocità di queste onde è diversa per diversi tipi di rocce attraversate, inoltre tende a crescere con l'aumento della presisone (la quale è fortemente legata alla profondità) e, decresce con la temperatura. Attraverso le velocità di propagazione di queste onde conosciamo l'interno della nostra Terra, la quale è suddivisa in vaie zone a composizione approsimativamente omogenea:

• La crosta, le prime decine di chilometri esterni del nostro pianeta
• una zona di 2900-km chiamata mantello, composta principalmente da rocce ultramafiche.
• Un nucleo liquido (raggio 3475 km), al cui centro  (1250-km di raggio) si ha un nucleo solido (nucleo interno).

I limiti tra queste maggiori zone dell'interno del nostro pianeta producono varie tipologie di riflessioni e trasmissioni delle fasi simiche, complicando il sismogramma ottenuto.

 

 

La velocità delle onde sismiche varia anche orizzontalmente, e non solo in senso verticale. Per esempio: la crosta si presenta da 5 a 10 volte più sottile  sotto gli oceani, rispetto a quella sotto i continenti. Inoltre sotto le zone di dorsale oceaniche il mantello si presenta più caldo, con velocità delle onde minore rispetto a zone oceaniche lontane dal ridge, dove il mantello più freddo presenta una velocità maggiore delle onde.  

 

La determinazione della velocità delle onde sismiche nel mantello è uno dei tool più performanti per ricostruire i "plumes". Da quando l'esistenza dei plumes è stata ipotizzata Morgan [1971], la comunità sismologica ha utilizzato molti metodi per la localizzazione di zone ad anomala velocità sotto gli hot spot, correlabili a zone dei plumes.

 

Indicatori di plumes:

 

vari potenziali effetti che i plumes possono avere sulla propagazione delle onde sismiche sono stati teorizzati:

  

-Effetto Termico Diretto: se un plumes esiste nel mantello, si avrà una bassa velocità delle onde nella zona del plumes. Nel mantello superiore, una temperatura di 100K porta ad abbassamenti della Vp dell'1% e della Vs dell'1,7%. La anomalia di temperatura minima che è stata associata ai plumes è di 200K, con un chiaro effetto sulla velocità delle onde sismiche.

-Effetto Termico Indiretto: la variazione di temperaura comporta anche la variazione nella profondità del limite delle fasi polimorfiche nella zona di transizione tra mantello superiore ed inferiore. Questo limite è localizzato dove la pressione causa cambiamenti nella struttura cristallina, comportando una variazione anche nella densità e quindi nella velocità di propagazione delle onde sismiche. Due di queste zone, hanno una evidenza planetaria (410 e 650 km) e sono facilmente individuabili. Anomalie di temperatura, possono causare movimenti verticali di questi limiti ben noti. Tali anomalie sono ben ricostuibili con metodi sismici, uno tra questi il metodo Receiver Functions.
 

-Effetto Chimico: se un plumes esiste, avrà una differente composizione rispetto al materiale circostante. Questo causa una anomalia di velocità delle onde sismiche. Il segno e la magnitudo di tale anomalia è funzione dei minerali che la andranno a comporre.

 

-Fusione: la presenza di anche una piccola quantità di rocce fuse porta grandi effetti nella velocità delle onde sismiche. La presenza di materiale fuso ci indica anomalie temriche, o presenza di rocce a mineralogia con basos punto di fusione. L'intensità dell'effetto di variazione di velocità dipende fondamentalmente dalla forma del corpo fuso, con effetti maggiori dati da layer fini rispetto a corpi sferici (Goes et al., 2000).

 

 

Acknowledgements: 
mantleplumes.org