Principii Basi di a Fisica di a Terra in Geofisica
A geofisica hè una branca di e scienze di a Terra chì studia a Terra aduprendu i principii di a fisica. Mentre a geologia si basa assai nantu à l'osservazioni di e rocce è di e strutture nantu à a superficia, a geofisica "vede" a Terra indirettamente per mezu di risposte fisiche: onde, campi gravitaziunali, magnetismu, elettricità, calore è radiazioni. In altre parole, a geofisica cerca di risponde à dumande cum'è ciò chì succede sottu à a superficia, quali sò e proprietà di i so materiali è quali prucessi si stanu svolgendu, senza avè bisognu di scavà o perforà in ogni locu.
Per assicurà una solida cunniscenza di a geofisica, ci vole à rivedere i principii di a fisica terrestre chì sustenenu i metudi geofisichi. Quessi principii includenu i cuncetti di mezi elastici, propagazione di l'onde, campi putenziali, induzione elettromagnetica, trasferimentu di calore è a relazione trà e proprietà fisiche di i materiali è e cundizioni geologiche.
1. A Terra cum'è sistema fisicu: cumpusizione, struttura è proprietà di i materiali
Fisicamente, a Terra pò esse cunsiderata cum'è un sistema stratificatu: a crosta, u mantellu, u core esternu liquidu è u core internu solidu. Queste distinzioni stratificate ùn sò micca solu divisioni geologiche, ma riflettenu ancu proprietà fisiche cum'è a densità, l'elasticità, a conducibilità elettrica, a temperatura è u magnetismu. In geofisica, queste proprietà fisiche sò i "parametri" primari.
Diversi materiali reagiscenu à e forze è à l'energia in modu diversu. Per esempiu, e rocce ignee dense tendenu à avè una densità più alta chè i sedimenti sciolti; e rocce saturate d'acqua sò più conduttive à a corrente elettrica chè e rocce secche; è i minerali magnetichi cum'è a magnetite danu à e rocce una suscettibilità magnetica più alta. Queste differenze di risposta producenu anomalie misurabili.
2. Campu gravitazionale è cuncettu di campu putenziale
Unu di i principii fundamentali di a fisica terrestre hè a gravità. U campu gravitazionale di a Terra ùn hè micca uniforme per via di a distribuzione inomogenea di a massa. E rocce d'alta densità "tiranu" più forte chè e rocce menu dense. A geofisica gravitazionale utilizza piccule variazioni in l'accelerazione gravitazionale (anomalie di gravità) per interpretà e strutture sottuterranee.
Matematicamente, a gravità hè un campu putenziale, vale à dì, un campu chì pò esse derivatu da una funzione putenziale è chì suddisfà l'equazione di Laplace/Poisson sottu certe cundizioni. Questu hè impurtante perchè parechji metudi geofisichi - gravità è magneticu - anu una caratteristica micca unica: un unicu mudellu d'anomalia pò esse causatu da diverse cunfigurazioni di u sottusuolu. Dunque, l'interpretazione richiede vincoli supplementari cum'è dati geologichi, dati sismichi o informazioni di perforazione.
E so applicazioni pratiche includenu a cartografia di i bacini sedimentarii, l'identificazione di e cupole saline è u studiu di l'isostasi (u bilanciu di massa di a litosfera in relazione à u mantellu). U principiu di l'isostasi spiega perchè e muntagne anu "radici" più leggere o più spesse, chì li permettenu di fluttuà in relazione à u mantellu.
3. Magnetismu terrestre: campi magnetichi è fonti d'anomalie magnetiche
A Terra hà un campu magneticu primariu derivatu da a dinamica di u so core esternu liquidu (geodinamu). In più di u campu primariu, ci sò campi magnetichi lucali da e rocce magnetizate. A geofisica magnetica misura e variazioni di u campu magneticu per cartografà e strutture geologiche, in particulare quelle assuciate à e rocce ignee è metamorfiche ricche di minerali magnetichi.
U principiu chjave quì hè chì a magnetizazione di e rocce hè custituita da dui cumpunenti: a magnetizazione indotta (paragunabile à u campu magneticu attuale di a Terra) è a magnetizazione rimanente (u restu di a magnetizazione passata, quandu a roccia si hè furmata). A magnetizazione rimanente hè assai utile in u paleomagnetismu per ricustruisce u muvimentu di e placche tettoniche è a storia di l'inversioni di i poli magnetichi di a Terra.
À scala regiunale, i dati magnetichi aiutanu à cartografà u sotterraniu (roccia basale) sottu à sedimenti spessi, à traccià e faglie è à esplorà i minerali.
4. Onde sismiche è elasticità di u mezu
Un principiu fisicu cintrali in geofisica hè a meccanica di l'onde in i mezi elastici. I metudi sismichi sfruttanu l'onde elastiche chì si propaganu à traversu a Terra. Ci sò dui tipi principali d'onde in l'internu di a Terra: onde P (primarie, longitudinali) è onde S (secundarie, trasversali). L'onde P si ponu propagà in i solidi è i liquidi, mentre chì l'onde S ùn si ponu propagà in i fluidi. Stu fattu fisicu hè una ragione impurtante per a quale sapemu chì u core esternu di a Terra hè liquidu: l'onde S ùn ponu micca passà per ellu.
A velocità di l'onda sismica hè determinata da i moduli elastici è da a densità di u materiale. In poche parole, e rocce più rigide è più dense tendenu à avè velocità d'onda più elevate. Quandu l'onde passanu per strati cù proprietà diverse, si verificanu riflessione è rifrazione, seguendu principii analoghi à a lege di Snell in ottica. Da u tempu di viaghju di l'onda, l'ampiezza è a forma d'onda, i geofisici ponu stimà a prufundità di u stratu, u spessore di i sedimenti è ancu a presenza di fluidi.
A sismologia glubale studia i terremoti per cartografà a struttura di u mantellu è di u core, mentre chì a sismologia d'esplorazione cartografa i riservi di petroliu, gasu è geotermichi à una scala più lucale.
5. Elettricità è elettromagnetismu: conducibilità, resistività è induzione
Parechji prucessi sottuterrani implicanu fluidi, mineralizazione è differenze di temperatura, chì influenzanu tutti a cunduttività elettrica. U principiu fundamentale di i metudi elettrichi è elettromagnetichi hè a relazione trà a corrente elettrica, u campu elettricu è e proprietà di u mezu, spessu riassunta da a lege d'Ohm in forma cuntinua (J = σE), cù σ essendu a cunduttività.
A resistività, a polarizazione indotta (IP), a magnetotellurica (MT) è altri metudi elettromagnetichi misuranu a risposta di u sottusuolu à e fonti di corrente/campu, sia artificiali sia naturali. U principiu di l'induzione elettromagnetica - furmulatu in a lege di Faraday - spiega cumu i campi magnetichi cambianti producenu campi elettrici è currenti parassite in u terrenu. Queste currenti parassite producenu tandu campi magnetichi secundarii chì sò misurati in superficia.
I materiali saturati d'acqua salata sò assai conduttivi; l'argille sò ancu spessu conduttive per via di i meccanismi di conduzione superficiale. In cuntrastu, e rocce cristalline secche è l'idrocarburi tendenu à esse resistivi. Dunque, i metudi EM sò largamente aduprati per l'acqua sotterranea, a geotermia, l'esplorazione di minerali sulfurati è u studiu di zone di faglia piene di fluidi.
6. Geotermia è trasferimentu di calore: conduzione è cunvezione
A Terra ùn hè micca statica; trasmette l'energia termica da l'internu à a superficia. I principii di u trasferimentu di calore includenu a conduzione (flussu di calore attraversu a materia senza trasferimentu di massa) è a cunvezione (flussu di calore accumpagnatu da trasferimentu di massa, cum'è u mantellu chì scorre assai pianu). A lege di Fourier descrive u flussu di calore conduttivu cum'è proporzionale à u gradiente di temperatura è à a cunduttività termica.
E misurazioni di i gradienti geotermichi, di i flussi di calore è di e proprietà termiche di e rocce aiutanu à capisce i sistemi geotermichi, u metamorfismu è a dinamica tettonica. In e zone di subduzione, per esempiu, i mudelli di calore sò influenzati da e placche in subduzione, a circulazione di i fluidi è l'attritu à l'interfaccia di cuntattu. À e dorsali medio-oceaniche, l'ascesa di u materiale caldu di u mantellu aumenta u flussu di calore è forma sistemi idrotermali.
7. A relazione trà e proprietà fisiche è l'interpretazione: u prublema di l'inversione è di a non-unicità
L'essenza di a geofisica ùn hè micca solu a misurazione, ma l'interpretazione. E misurazioni in superficia o da fonti aeree o satellitari devenu esse tradutte in mudelli sottuterranei. Stu prucessu hè chjamatu inversione. Fisicamente è matematicamente, l'inversioni sò spessu micca uniche: parechji mudelli ponu spiegà i stessi dati. Dunque, a geofisica muderna si basa nantu à i principii di regularizazione, statistica è integrazione multi-dati.
Per esempiu, un'anomalia di gravità pò indicà a presenza di un corpu à alta densità, ma ùn indica micca direttamente s'ellu si tratta di un'intrusione di basalt o di un minerale metallicu - tramindui sò pussibuli. Aghjunghjendu dati magnetichi, sismichi o EM, l'interpretazione diventa più robusta è realistica.
8. Scala è scopu: da l'esplorazione à a cumprensione glubale di a Terra
I principii di a fisica di a Terra in geofisica operanu à parechje scale. À scala glubale, a sismologia satellitare è a gravità aiutanu à mappà l'eterogeneità di u mantellu terrestre, di u geoide è di a circulazione interna. À scale regiunale è lucale, i metudi geofisichi sò aduprati per l'esplorazione di risorse (petroliu, gasu, minerali, geotermia), a mitigazione di disastri (monitoraghju vulcanicu, microzonazione di terremoti), l'ingegneria geotecnica (stabilità di e fundazioni) è i studii ambientali (contaminazione di u terrenu è di l'acqua).
Ciò chì li unisce tutti hè u principiu chì e variazioni di e proprietà fisiche - densità, elasticità, conducibilità, magnetizazione è temperatura - sò direttamente ligate à i prucessi geologichi. I metudi geofisichi furniscenu una finestra nantu à queste variazioni quantitativamente.
Penutup
I principii basi di a fisica di a Terra in geofisica ponu esse riassunti cum'è un tentativu di capisce a Terra per mezu di risposte fisiche misurabili: a gravità è u magnetismu cum'è campi putenziali, a sismica cum'è a propagazione di l'onde elastiche, i metudi elettrichi è elettromagnetichi cum'è risposte di cunduttività è induzione, è a geotermia cum'è flussu di calore internu. Ogni metudu hà punti di forza è limitazioni, in particulare ligati à a non unicità di l'interpretazione, dunque l'integrazione di i dati è a cumprensione di a fisica di i materiali sò chjave.
Cù una basa solida in fisica, a geofisica pò fà da ponte trà l'osservazioni in superficia è a realità cumplessa sottu, aiutendu l'omu à capisce a struttura di a Terra, à utilizà e so risorse in modu più apprupriatu è à riduce i risichi di disastru per mezu di una migliore modellazione è monitoraghju.
