La
litosfera
(dal
greco
: λ?θο? (lithos) = "pietra, roccia" + σφα?ρα (sphaira) = "sfera", vale a dire "sfera rocciosa") e la parte esterna piu rigida del pianeta
Terra
, comprendente la
crosta terrestre
e la porzione del
mantello
esterno, fino all'
astenosfera
, mantenendo un comportamento
elastico
.
[1]
Il concetto di litosfera come strato esterno rigido della Terra fu sviluppato nel 1914 da Joseph Barrell.
[2]
Il concetto si basava sulla presenza di alcune
anomalie nella gravita
della
crosta continentale
, dalla quale fu dedotta l'idea di uno strato piu duro esterno (chiamato litosfera) soprastante uno strato meno rigido e fluido, chiamato
astenosfera
. Questa ipotesi fu espansa nel 1940
[3]
, e in seguito ampiamente accettata in campo
geologico
e
geofisico
ancor prima dello sviluppo della moderna
tettonica delle placche
, per la quale i concetti di una litosfera rigida soprastante una zona fluida sono molto essenziali.
La litosfera e la parte solida e inorganica della Terra che comprende la
crosta terrestre
e la porzione piu superficiale del mantello superiore, per uno spessore complessivo variabile tra i 70-75 km in corrispondenza dei bacini oceanici e i 110-113 km al di sotto dei continenti. La suddivisione in litosfera e astenosfera degli involucri esterni della terra si basa su caratteri esclusivamente reologici, cioe di comportamento dei materiali sottoposti a sforzi a essi applicati: la litosfera ha comportamento reologico rigido, ed e in grado di produrre terremoti; l'astenosfera e facilmente deformabile e non produce sismi.
Un altro modo di classificare gli involucri esterni della terra e quello classico che si basa sulla composizione degli stessi: si parla allora di crosta e mantello. Il limite fra crosta e mantello rappresenta un'importante discontinuita composizionale e sismologica che prende il nome di
discontinuita di Mohorovi?i?
(Moho), dal nome del sismologo Mohorovi?i? che la propose nel 1909. La Moho e completamente compresa entro la litosfera, in quanto la crosta e mediamente spessa una trentina di km.
Nella zona crostale le
onde sismiche
P ed S aumentano leggermente di velocita, mentre nel mantello superiore l'aumento e decisamente piu marcato. Ad una profondita compresa tra i 70 e i 120 km tali onde subiscono un rallentamento; tale zona viene considerata come il limite di profondita della litosfera; al di sotto e presente una zona dalle diverse proprieta sismologiche, l'astenosfera. Lo spessore della litosfera viene ritenuto come la profondita dell'isoterma associata alla transizione tra comportamento viscoso e fragile.
[4]
La suddivisione geologica fra litosfera e astenosfera non va confusa con la suddivisione chimica in mantello e crosta terrestre.
La litosfera e frammentata in una serie di
placche tettoniche
o litosferiche, ai cui margini si concentrano i fenomeni geologici endogeni, come il magmatismo (incluso il
vulcanismo
), la
sismicita
e la
orogenesi
. Le placche possono essere oceaniche o miste, coperte in parte dalla crosta di tipo continentale.
La litosfera viene ulteriormente suddivisa in:
La litosfera oceanica e spessa all'incirca fra i 100 e i 150 km (ma al di sotto delle dorsali oceaniche non e piu spessa della crosta), mentre quella continentale ha uno spessore che va dai 40 ai 200 km; la zona piu superficiale fino a 30 o 50 km di profondita e la tipica
crosta
. La parte del
mantello
della litosfera consiste principalmente di
peridotite
ed e piu densa della litosfera continentale, ed e separata dalla crosta dalla
discontinuita di Mohorovi?i?
.
La litosfera oceanica consiste principalmente di crosta
femica
e mantello
ultrafemico
(peridotite) ed e piu densa della litosfera continentale, nella quale il mantello e associato a crosta composta di rocce
felsiche
. La litosfera oceanica si inspessisce man mano che si allontana dalla
dorsale oceanica
. Questo fenomeno avviene per raffreddamento conduttivo, che converte l'astenosfera calda in mantello litosferico, e causa l'incremento di densita della litosfera oceanica in funzione del tempo, che puo essere espresso da:
dove
e lo spessore del mantello oceanico,
e la diffusivita termica (circa 10
-6
m
2
/s), e
e il tempo. L'ispessimento e quindi proporzionale alla radice quadrata del tempo.
La litosfera oceanica e inizialmente meno densa dell'astenosfera per le prime decine di milioni di anni, ma poi diviene sempre piu densa dell'astenosfera. L'instabilita gravitazionale della litosfera oceanica matura ha l'effetto di farla invariabilmente sprofondare nelle zone di
subduzione
al di sotto della litosfera, sia continentale che oceanica. Nuova litosfera oceanica viene costantemente prodotta nelle dorsali medio-oceaniche e viene "riciclata" indietro nel mantello attraverso le zone di subduzione. Come risultato, la litosfera oceanica e molto piu giovane di quella continentale: la piu vecchia litosfera oceanica ha circa 170 milioni di anni, mentre alcune parti della litosfera continentale risalgono a due miliardi di anni fa. Le parti piu antiche della litosfera continentale celano dei
cratoni
, e li la litosfera-mantello e piu spessa e meno densa del normale. La relativa bassa densita di queste "radici di cratoni" del mantello aiuta a stabilizzare tali regioni.
[5]
[6]
Studi geofisici dell'inizio del
XXI secolo
hanno rilevato che consistenti parti della litosfera sono state soggette ad un processo di
subduzione
che le ha portate a sprofondare fino a 2900 km, cioe vicino al confine tra mantello e nucleo;
[7]
alcune galleggiano nel mantello superiore,
[8]
[9]
mentre altre ancora sprofondano nel mantello fino a 400 km di profondita, rimanendo pero ancora collegate con la soprastante placca continentale
[10]
come nel modello della "tectosfera".
[11]
E possibile studiare direttamente la natura del mantello subcontinentale esaminando la
xenolite
portata in superficie nella
kimberlite
e in altri camini vulcanici. La storia di queste xenoliti e stata investigata con molti metodi, inclusa l'analisi dell'abbondanza degli isotopi di
Osmio
e
Renio
. Tali studi hanno confermato che la litosfera del mantello al di sotto di alcuni
cratoni
si e mantenuta per un periodo di oltre tre miliardi di anni, nonostante i flussi associati alla
tettonica delle placche
.
[12]
- ^
Skinner, B.J. & Porter, S.C.:
Physical Geology
, page 17, chapt.
The Earth: Inside and Out
, 1987, John Wiley & Sons,
ISBN 0-471-05668-5
- ^
Barrell Joseph,
The strength of the Earth's crust
, Journal of Geology 22, pagg. 425-433, 441-468, 655-683, (1914).
- ^
Daly, R. 1940,
Strength and structure of the Earth
. New York: Prentice-Hall.
- ^
Parsons, B. and McKenzie, D. 1978.
Mantle Convection and the thermal structure of the plates
. Journal of Geophysical Research.
- ^
Jordan, T. H. 1978,
Composition and development of the continental tectosphere.
Nature 274, 544-548.
- ^
O'Reilly, Suzanne Y.
et al.
(2009),
Ultradeep continental roots and their oceanic remnants: A solution to the geochemical “mantle reservoir” problem?
, LITHOS, DOI:10.1016/j.lithos.2009.04.028
- ^
Burke, K. and Torsvik, T. H. (2004),
Derivation of Large Igneous Provinces of the past 200 million years from long-term heterogeneities in the deep mantle
, Earth and Planetary Science Letters, 227: pp. 531-538
- ^
Replumaz, A.
et al.
(2004),
4-D evolution of SE Asia's mantle from geological reconstructions and seismic tomography
, Earth and Planetary Science Letters, 221: pp. 103-115, doi:10.1016/S0012-821X(04)00070-6
- ^
Li, Chang
et al.
(2008),
A new global model for 'P' wave speed variations in Earth's mantle
, Geochemistry Geophysics Geosystems, 9(5): Q05018, doi: 10.1029/2007GC001806
- ^
O'Reilly, Suzanne Y.
et al.
(2009),
Ultradeep continental roots and their oceanic remnants: A solution to the geochemical “mantle reservoir” problem
, Lithos, doi:10.1016/j.lithos.2009.04.028
- ^
Jordan, T.H. (1988),
Structure and formation of the continental tectosphere
, Journal of Petrology, 29 (Special Lithosphere Issue): pp. 11-38
- ^
Carlson, R. W., Pearson, D. G., and James, D. E., 2004,
Physical, chemical, and chronological characteristics of continental mantle.
Reviews of Geophysics 43, 8755-1209/05/2004RG000156.