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Professor: Thomas Vincent Gloaguen – tgloaguen@gmail.com 2 - Constituição do planeta Terra Universidade Federal do Recôncavo da Bahia Disciplina: CET057 - GEOLOGIA GERAL Constituição da Terra I- Geodesia • Volume, massa, densidade • Gravimetria II- Sismologia • Origem e propagação das ondas sísmicas • Estrutura interna da Terra III- Composição interna • Meteoritas • Outros índices IV- Sinais da atividade interna • Calor interno • Magnetismo VOLUME DA TERRA ?VOLUME DA TERRA ?VOLUME DA TERRA ?VOLUME DA TERRA ? ���� Eratóstenes, há mais de 2000 anos, pressuponha a forma esférica da Terra, e mede α. ���� Calcula geometricamente R e o volume da Terra: erro < 2% ! FORMA Raio equatorial (Re): 6378 km Raio polar (Rp): 6357 km ���� Esferóide achatado nos pólos (muito ligeiramente: considerando uma esfera de 100cm, o achatamento seria somente de 4 mm!) Valor do achatamento: f= (Re-Rp)/Re = 1/300 Geodésia MASSA DA TERRA ?MASSA DA TERRA ?MASSA DA TERRA ?MASSA DA TERRA ? 1a lei de Newton (lei da gravidade, Isaac Newton, 1704): A atração entre dois corpos é proporcional a suas massas e inversamente proporcional a distancia entre elas: Onde - m1 e m2= massa dos corpos 1 e 2 (kg) - d= distancia entre os centros de gravidade dos corpos (m) – G= constante de gravidade universal Cálculo de G ? 2 21. . d mmGF = Geodésia Cálculo de G ? .... 94 anos depois O pêndulo de Cavendish (1798) F = força de torsão do fil ���� G = 6,67.10-11 N m-3 kg-1 Geodésia A gravidade terrestre é a força resultante da atração terrestre em objeto situada à proximidade do planeta (maça, homem, atmosfera). 2ª lei de Newton: a força é proporcional à aceleração e a massa onde P = peso de um objeto = F = força aplicada no objeto (N) m = massa do objeto (kg) ag = aceleração da gravidade = 9,81 m s-2 Gravidade terrestre →→→ == ga.mFP Geodésia MASSA DA TERRA ?MASSA DA TERRA ?MASSA DA TERRA ?MASSA DA TERRA ? 2 . .. T T g R MmGam = G a RM gTT . 2 = Sabendo que E Onde P = peso de um objeto ag = aceleração da gravidade = 9,8 m s-2 m = massa de um objeto MT = massa da Terra RT = raio da Terra ga.mPF == 2 . . T T R MmGF = tonsMT 2110.96,5= Geodésia MASSA VOLUMETRICA DA TERRA?MASSA VOLUMETRICA DA TERRA?MASSA VOLUMETRICA DA TERRA?MASSA VOLUMETRICA DA TERRA? 3 ..3/4 T T T T T R M V M pi ρ == 36 21 T )10.378,6.(.3/4 10.96,5 pi =ρ V m =ρ Onde ρ = massa volumétrica (ton m-3) m = massa (ton) V = volume (m3) 3 .50,5 −= mtTρ Geodésia DENSIDADE DA TERRA Densidade global da Terra: 5,50 MAS Densidade média das rochas superficiais: 2,76 De onde vêm esta diferenDe onde vêm esta diferençça?a? Geodésia 2,7 3,0 2,6 • Como estudar as diferentes camadas? GRAVIDADE NA TERRA - Força gravitacional De acordo com essa lei, se o objeto de massa MT (Terra) estiver fixa e o objeto de massa m1 puder se movimentar, o objeto 1 será atraído pela Terra com uma força F. Aceleração ag = ? 2 T1 d M.m .GF = Geodésia GRAVIDADE NA TERRA - Força gravitacional A aceleração seria igual a F/m1, ou seja, G.MT /RT 2 � Aceleração: independente da massa do objeto - depende somente do raio e da massa da Terra � A isotropia do campo gravitacional explica a forma esférica dos corpos de grande dimensão formados por acreção. � Os corpos de massa diferentes (ex: madeira e chumbo) caiem na mesma velocidade. Gravimetria GRAVIDADE NA TERRA - Força centrífuga O movimento de rotação da Terra gera uma força centrífuga: ac=w 2.r Onde R = distância ao eixo de rotação w =velocidade angular = 2π.T T = período de rotação Força gravitacional ���� coesão do planeta Força centrífuga ���� achatamento. Gravimetria Gravidade na TERRA (g) = aceleração de gravidade + aceleração centrífuga • Valor médio de g na superfície terrestre: 9,81 m s-2 ou 981 Gal g=ag+ac Gravimetria Gravidade uniforme na superfície terrestre ? Gravimetria Gravidade uniforme na superfície terrestre ?? NÃO ���� Então quais os fatores externos influenciando o campo gravitacional? Precisa corrigir os valores de g Gravimetria GRAVIDADE Variação de g devido a LATITUDE: � Correção pela Fórmula Internacional da Gravidade (1980): g(Φ) = 978,0318 (1+0,0053024sen2Φ-0,00000587sen22Φ) Gal Onde Φ = latitude Gravimetria GRAVIDADE Variação de g devido a LATITUDE: � Correção pela Fórmula Internacional da Gravidade (1980): g(Φ) = 978,0318 (1+0,0053024sen2Φ-0,00000587sen22Φ) Gal (Φ = latitude) Variação de g devido a TOPOGRAFIA: ���� Correção ar-livre : elimina o efeito causado pela altitudealtitude (nível do mar como referência). ���� Correção de Bouguer: elimina o efeito causado pela massa rochosamassa rochosa existente entre o ponto de medida e o nível do mar Gravimetria Estas correções se somem: g= gm+ clat + car + cb Valores medidos e corrigidos IGUAIS em qualquer ponto do planeta ? g= gravidade gm= gravidade medida Clat = correção da latitude Car = correção ar-livre Cb = correção Bouguer Gravimetria Quando compara-se valores medidos no campo e corrigidos (g) com os valores previstos (gp) do elipsóido, observa-se anomalias: g-gp <0 ou g-gp >0 Estas diferenças são chamadas de anomalias gravimétricas PORQUE? Gravimetria Quando compara-se valores medidos no campo e corrigidos (g) com os valores previstos (gp) do elipsóido, observa-se anomalias: g-gp <0 ou g-gp >0 Estas diferenças são chamadas de anomalias gravimétricas PORQUE? EXPLICAÇÃO 1 Abaixo da superfície do chão, diferentes rochas/objetos com diferentes DENSIDADES Anomalias positivas: presença de um corpo de menor densidade. Ex: intrusão de magma, camadas de sal. Anomalias negativas: presença de um corpo de maior densidade. Ex: rochas basálticas ricas em ferro. Geodésia: anomalias gravimétricas EXPLICAÇÃO 2 Geodésia: anomalias gravimétricas Nas grandes cordilheiras, existem anomalias muito grandes, a primeira vez observada por Bouguer em 1740 na Cordilheira dos Andes. 1855: J.H. Pratt propoe o conceito da isostasia ISOSTASIA = equilíbrio gravitacional entre a litosfera e a astenosfera da Terra. O equilíbrio isostático é atingido quando um acúmulo de carga ou perda de massa existente na parte emersa é contrabalançada, respectivamente, por uma perda de massa ou acumulo de carga na parte submersa. Modelo de Pratt (1859) Modelo d´Airy (1885) Modelo de Heiskanen (moderno) Geodésia: anomalias gravimétricas EXPLICAÇÃO 2 Modelo de Airy LITOSFERA ASTENOSFERA Geodesia: gravidade e isostasia Modelo de Airy Existência de um enraizamento da montanha (como no caso de um iceberg). Príncipe baseado na lei de Arquimedes Camada superficial menos densa (litosfera) sobre uma substrato mais denso (astenosfera) Calcula-se que o Himalaya, com 8 km de altitude teria 80 km de profundidade. Modelo de Airy Modelo de Pratt (antigo) ASTENOSFERAASTENOSFERA LISTOSFERA LISTOSFERA Geodesia: gravidade e isostasia Erosão dos continentes: apesar do decréscimo da altitude por erosão, a crosta continental sempre situa-se acima do nível do mar Causa: reajuste isostático, ou seja, lento soerguimento devido à perda de massa (ainda o príncipe de Archimedes: uma massa menor desloca uma quantidade menor de água, isto é, mergulha menos) Graça ao reajuste isostático, podemos hoje observar na superfície rochas formadas há milhões de anos em profundidades (dezenas de quilômetros) Processo muito lento. Exemplo da Escandinávia: derretimento do gelo após a última fase glacial do planeta(20 000 anos atrás): o reajusto ainda continua Reajuste isostático Subsidência isostática Depósito de sedimentos nas bacias sedimentares (geralmente margem dos continentos) Aprofundamento dos sedimentos por ajuste isostático, chegando a quilômetros de profundidade Investigar o interior da Terra O que conhecemos? Diretamente Diretamente, conhecemos somente 12 km da crosta terrestre (foragem sg3 na peninsula de Kola), o que é inferior a 0,2% do raio da Terra Graça ao reajuste isostático, conhecemos algumas rochas formadas até 30 km de profundidade Hipótese: Através do estudo das anomalias gravimétricas, obtemos informações sobre a constituição global da Terra, e a existência de uma diferenciação no interior da Terra, em torno de 50 km. Mais a análise fica superficial, e as conclusões somente interpretativas Como estudar as camadas mais profundas (99,999999% do volume da Terra)? INTERIOR DA TERRA? SISMOLOGIA Conhecimento da estrutura interna profunda da Terra Porque? � comportamento diferente das ondas sísmicas em função da natureza do material que atravessa Como? � análises das ondas sísmicas provocadas por terremotos registradas nos sismógrafos obtidos nas estações sismológicas Sismologia ONDAS DE VOLUME Ondas longitudinais – P (COMPRESSÃO) ���� As ondas mais rápidas, as primeiras a serem detectadas num sismógrafo ���� Eles são emitidas em todas as direções. Tem uma velocidade média de 6 km s-1 perto da superfície; K – módulo de incompressibilidade m - módulo de cisalhamento ρ – massa volumétrica ρ mKVp 3/4+= ρ mVs = Ondas transversais – S (CISALHAMENTO) Menor velocidade do que a das ondas P (4,8 km/s em média) P S ONDAS SUPERFICIAIS Ondas Love Ondas Raleigh + Propagação somente na superfície terrestre ���� Não são utilizadas para compreensão da estrutura interne profunda da Terra ���� Podem ser utilizada para analisar a estrutura da litosfera + 3 a 4 km/s + Forte amplitude e movimento complexo ���� Destrução dos edifícios P S L-R Sismologia Propagação das ondas sísmicas Ondas destrutivas pela deformação da rocha Sismologia Quando mais rígido o material, mais rápida a onda. Sismologia Relação velocidade da onda – rigidez α β r1 r2 α β r1 r2 α β r1 r2 rigidez - r2 = r1 �β = α � velocidade - v2 = v1 r2 < r1 � β > α � v2 < v1 r2 > r1 � β < α � v2 > v1 Onda direta Onda refletida Onda refratada Sismologia Relação trajetória da onda – rigidez Previsto Previsto Sismologia Previsto Real Real Previsto Sismologia Onda acelerada Distância do epicentro (graus) Ondas P (km/s) Ondas S (km/s) 30º 8,6 4,8 60º 10,9 5,9 90º 12,6 6,9 Sismologia Profundidade Velocidade = t/d Sismologia Descontinuidades: mudanças das propriedades do material. As ondas são sensíveis à estas variações Velocidade (km/s)Densidade P r o f u n d i d a d e ( k m ) ? ? ? ? ? Sismologia Velocidade (km/s)Densidade P r o f u n d i d a d e ( k m ) Descontinuidade de Moho (50-100 km) Limite entre a CROSTA e o MANTO A mudança de velocidade indica uma mudança de composição química das rochas ? ? ? ? Sismologia Velocidade (km/s)Densidade P r o f u n d i d a d e ( k m ) Limite entre a LITOSFERA e a ASTENOSFERA (70-150 km) Devido ao aumento da temperatura, uma fração das rochas é fundida, � Aumenta gradualmente a plasticidade � Diminui a velocidade das ondas P e S Zona mais plástica também conhecida como LVZ (“Low Velocity Zone” = “Zona de Velocidade Baixa”) ? ? ? Sismologia Velocidade (km/s)Densidade P r o f u n d i d a d e ( k m ) Limite entre a MANTO SUPERIOR e MANTO INFERIOR (700 km) A mudança de velocidade indica uma mudança de rigidez das rochas. Na parte superior (astenosfera), uma fração das rochas é fundida, o que leva a uma grande heterogeneidade. O material na parte inferior é mais homogêneo, denso e sólido. ? ? Sismologia Velocidade (km/s)Densidade P r o f u n d i d a d e ( k m ) Descontinuidade de Gutenberg (2885 km) Limite entre o MANTO sólido o NÚCLEO líquido: como não há cisalhamento num líquido, as ondas S somem? Sismologia Velocidade (km/s)Densidade P r o f u n d i d a d e ( k m ) Descontinuidade de Lehman (5155 km) Limite entre NÚCLEO EXTERNO líquido NÚCLEO INTERNO sólido mais denso Sismologia Velocidade (km/s)Densidade P r o f u n d i d a d e ( k m ) Descontinuidade de Gutenberg Limite litosfera/astenosfera Descontinuidade de Moho Limite manto superior/inferior Descontinuidade de Lehman Sismologia 1) Descontinuidade de Moho (50-100 km) Limite entre a CROSTA e o MANTO A mudança de velocidade indica uma mudança de composição química das rochas 2) Limite entre a LITOSFERA e a ASTENOSFERA (70-150 km) Devido ao aumento da temperatura, uma fração das rochas é fundida, ���� Aumenta gradualmente a plasticidade ���� Diminui a velocidade das ondas P e S Zona mais plástica também conhecida como LVZ (“Low Velocity Zone” = “Zona de Velocidade Baixa”) 3) Limite entre a MANTO SUPERIOR e MANTO INFERIOR (700 km) A mudança de velocidade indica uma mudança de rigidez das rochas. Na parte superior (astenosfera), uma fração das rochas é fundida, o que leva a uma grande heterogeneidade. O material na parte inferior é mais homogêneo, denso e sólido. 4) Descontinuidade de Gutenberg (2885 km) Limite entre o MANTO SOLIDO e o NÚCLEO LIQUIDO 5) Descontinuidade de Lehman (5155 km) Limite entre o NÚCLEO EXTERNO e o NÚCLEO INTERNO RESUMO Manto superior Astenosfera Manto inferior Litosfera Hidrosfera Biosfera Atmosfera Crosta oceânica Crosta continentalSedimentos Núcleo externe Escala não respeitada !! Composição interna As meteoritos são testemunhas preciosos da composição da Terra original e da Terra interna Meteoritos condritos (80-85%) Rochas primitivas não diferenciadas Idade de 4,5 a 4,6 Ga. Composição química semelhante a da maioria das estrelas: silicatos, ferro (até 25%): �Composição = composição global Terra �Material original que formou a Terra por acrecção Meteoritos acondritos (15-20%) Diferenciados, variação da composição química Composição das diferentes camadas da Terra: meteoritos com composição da crosta, outros do manto, outros do núcleo Composição interna • Laboratório � estabelecimento das condições de temperatura e pressão (limite possível: manto- núcleo), principalmente com diamantes • Criar as condições de formação / deformação dos minerais – ponto de fusão / solidificação Composição interna Manto sup. Zona de transição Manto inf. Núcleo externo Núcleo interno Diferenciação química da Terra Terra Núcleo Manto Crosta Fe O Si Mg Ni Ca Al Na/K Calor interno Calor interno Calor interno • Medidas diretas da temperatura em sondagens mostram que a temperatura da rocha aumenta com a profundidade; • Grau geotérmico: números de metros necessários para ter um aumento de temperatura de 1oC. � A temperatura média atual deve ser descontada • Onde • n=profundidade (m) • T=temperatura (oC) • T0=temperatura na superfície • Valor da litosfera: 30m. Variação entre10 e 150m 0T - T n geotérmicoGrau = + Grau geotérmico baixo em áreas área afetadas por vulcanismo recente (Andes) ou movimento tectônico + Grau geotérmico alto na crosta velha e estáveis (BRASIL), e crosta mais espessa A radiação solar é a energia responsável por todos os fenômenos dinâmicos ocorrendo na atmosfera e na superfície terrestre No entanto, esta energia é desprezível a alguns metros da superfície Calor interno Sabendo os valores do grau geotérmico e da condutibilidade térmica das rochas cálcula-se uma perda de calor anual pela superfície terrestre chamado FLUXO DE CALOR, de cerca de 80 mW/m2 Valor pequeno : 4000 vezes menor do que o flux de energia solar MAS � 100 vezes maior do que a energia liberada pelos terremotos � Corresponde a uma perda de 3,8.1011 Gcal / ano (1530 EJ/ano) , ou seja, 4 vezes o consumo humano, 20 milhões de bombas lançada em Hiroshima � Multiplicando por 4,6 bilhões de anos (idade da Terra).......... FONTES DE CALOR ? 1) Transformação em calor da energia cinética do impacto dos fragmentos acretados durante a formação da Terra. Mas energia fraca demais: o fluxo geotérmico teria resfriar completamente a Terra em 4,6 Ga. 2) Radioatividade Calor interno A desintegração radioativa, que ocorre naturalmente em todas as rochas, é acompanhada de uma emissão de calor Isótopos de meia vida curta liberaram uma grande parte de energia no início de vida do planeta, mas foram os isótopos de meia vida longa (U, Th, Rd, K) que forneceram até hoje a energia utilizada no funcionamento da dinâmica interna da Terra Rocha Emissão de calor (cal/ano/m3) Granito 40 Basalto 10 Peridotito 5 Sedimentos 10 à 30 - Produção de calor proporcional ao volume (raio r3) - Perda de calor na superficie proporcional à superfície (r2) ENTÃO � Capacidade de um corpo a reter o seu calor proporcional a r3/r2=r CONCLUSÃO: quanto maior o corpo, maior o aproveitamento do energia: Terra>Vênus>Marte>Mercúrio>Lua Calor interno Transporte de calor no interior do planeta Dois processos: 1) Condução: transferência de energia de partícula em partícula. Processo lento. Locais: crosta, núcleo interno 2) Convecção: transferência de energia por movimento de massa através de um fluido. Processo rápido. Locais: manto (fluido na escala geológico), núcleo externo O conhecimento direto da temperatura interna é possível somente nos furos de sondagens, isto é até somente 10 km de profundidade. Modelos de distribuição de temperatura foram desenvolvidos basicamente a partir de diversos bancos: dados sdados síísmicos, radioatividade, geomagnetismo, densidades, smicos, radioatividade, geomagnetismo, densidades, petrologiapetrologia.. Características do campo magnético terrestre • Terra : esfera uniformemente magnetizada, com efeito magnético semelhante a um imã de barra ou dipolo • O eixo do dipolo forma um ângulo de 11,5º com o eixo de rotação da Terra. • Não é afetado pelo geologia nem geografia � origem profunda • Origem: movimento do fluído metálico do núcleo externo • Intensidade do campo magnética: 50 µT (50.10-6 T) � centenas de vezes menor do que um imã comum. • Varia de 20 a 70 µT Intensidade maior nos pólos Magnetismo Representação do campo magnético • A direção da agulha de uma bússola (instrumento de predileção do geólogo...) faz um ângulo com a direção norte-sul, chamado declinação magnética. • A agulha não permanece na horizontal; ela acompanha as linhas de força do campo magnético (ver figura anterior). A ponto indicando o norte abaixa no hemisfera norte e levanta no hemisfera sul. O ângulo com o plano horizontal é chamado de inclinação magnética Leve variação de Declinação magnética, chamada variação secular = 0,2º por ano Intensidade, devido à dinâmica do núcleo Aplicações • Cartografia • Prospecção de minerais metálicos através de mapas de anomalias magnéticas • Paleomagnetismo através de partículas ferromagnéticas (hematita, magnetita) � reconstituição histórico do movimento da litosfera e dos climas antigos Magnetismo
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