Sismologia e estrutura interna da Geosfera

 Contributos da sismologia

Para os primeiros estudos da estrutura interna da Terra contribuíram os grandes sismos, que permitiram estabelecer, entre 1906 e 1936, um modelo em camadas concêntricas - crusta, manto e núcleo. Mais tarde, as ondas sísmicas geradas por ensaios nucleares, pelas bombas atómicas e por microssismos criados artificialmente precisaram a estrutura deste modelo, dado permitirem conhecer, com rigor, o foco e a quantidade de energia libertada.

Estudos de 1906 - Oldham

Em 1906, Oldham verificou que as ondas P, registadas no pólo oposto ao epicentro de um sismo, se encontravam atrasadas em comparação com as registadas nas proximidades do epicentro, propagando-se a 4,5 km/s em vez dos 6,5 km/s habitualmente observáveis.

O que atrasaria, então, no interior da Terra, a propagação das ondas P?

Oldham avançou com a hipótese de que "as ondas, penetrando a grande profundidade, atravessam um núcleo central composto por uma matéria diferente que as transmite com menor velocidade". Admitiu-se, assim, pela primeira vez, a existência de um núcleo, assinalado por uma descontinuidade no interior da geosfera, isto é, por uma mudança radical nas propriedades e na composição dos elementos que constituem o seu interior.

Modelo de Gutenberg

Sete anos mais tarde, o alemão Gutenberg localizou em profundidade esta superfície de descontinuidade, ao observar que, para cada sismo existe um sector da superfície terrestre onde é impossível registar ondas sísmicas directas, isto é, ondas com origem no foco e que atingem a superfície da geosfera sem sofrerem reflexões nem refracções.

Durante a sua propagação, a partir do foco sísmico e no contacto com um novo meio, uma onda sísmica directa pode recuar no meio inicial, ocorrendo uma reflexão, ou ser transmitida para um segundo meio, ocorrendo uma refracção.

Assim, podemos definir três formas de desenvolvimento de uma onda sísmica:

• onda directa - é a onda inicial, com origem no foco sísmico e que não interage com nenhuma superfície de descontinuidade, não sofrendo, por isso, reflexões nem refracções;
• onda reflectida - é uma nova onda que se propaga, a partir de uma superfície de descontinuidade, em sentido contrário e no mesmo meio em que a onda inicial se estava a propagar;
• onda refractada - é a onda transmitida, por uma superfície de descontinuidade, para o segundo meio.

Esta faixa da superfície terrestre, onde não se propagam ondas sísmicas internas directas, designa-se zona de sombra sísmica. Gutenberg determinou que a distância angular desta zona ao epicentro é constante, situando--se entre os 103° e os 142°. Fazendo a conversão da distância angular em distância quilométrica (1° = 111,25 km), sobre a superfície terrestre, a zona de sombra situa-se entre os 11 459 km e os 15 798 km de distância do epicentro.

Nesta zona, onde não se propagam ondas P e S directas, a actividade sísmica é mínima. Mas, como explicar, para cada sismo, a existência de uma zona de sombra? A análise comparada de séries de sismogramas de diferentes estações sismográficas permitiu a Gutenberg calcular a profundidade desta descontinuidade - à época, 2900 km; contudo, este valor já sofreu alterações localizando-se, actualmente, nos 2891 km de profundidade. Por este facto, a esta fronteira que assinala o início do núcleo dá-se o nome de descontinuidade de Gutenberg .

Zona de sombra e descontinuidade de Gutenberg.

Numa superfície de descontinuidade, que assinala a separação entre dois meios com propriedades elásticas distintas - rigidez, densidade e incompressibilidade, as refracções e reflexões das ondas que nela incidem ocorrem segundo ângulos determinados, originando zonas de sombra sísmica. Assim, a existência de uma zona de sombra para cada sismo é consequência das propriedades elásticas dos materiais que constituem o núcleo, bem como da sua dimensão.

Descontinuidade de Lehmann

Em 1936, a dinamarquesa Inge Lehmann deu mais um contributo para o conhecimento do núcleo. Analisando registos sismográficos, Lehmann concluiu que as ondas P chocam contra "qualquer coisa dura" a 5150 km, uma vez que se verifica um aumento da velocidade de propagação destas ondas. Tendo em conta que a velocidade das ondas P é maior em meios sólidos do que em meios líquidos, é de supor a existência de um núcleo interno no estado sólido. À fronteira entre o núcleo externo fluido e o núcleo interno sólido dá-se o nome de descontinuidade de Lehmann.

 

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Conhecida a estrutura do núcleo, falta agora identificar a sua composição. Baseados na hipótese do núcleo ser constituído predominantemente por ferro - como a existência da magnetosfera o indicia -, estudos realizados em laboratório permitiram estabelecer uma relação entre a velocidade de propagação das ondas sísmicas e a densidade de diferentes metais. Assim, foi possível inferir para o centro da Terra uma composição, essencialmente, de ferro e níquel, dado serem os elementos metálicos que apresentam densidades mais próximas das avaliadas sismologicamente.

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Os dados da sismologia e a existência da crusta e do manto

Descontinuidade de Moho 

A constatação de alterações na trajectória e na velocidade de propagação das ondas sísmicas P e S permitiu inferir a existência de outras camadas no interior da Terra, para além do núcleo.Em 1909, Andrija Mohorovicic constatou, ao analisar os registos sismográficos do sismo que em Outubro desse ano ocorreu a sul de Zagreb, na actual Croácia, que as estações sismográficas mais próximas do epicentro registavam a chegada de dois conjuntos de ondas P e S. Para explicar as suas observações, Mohorovicic propôs a existência de uma descontinuidade a separar um meio superficial, no qual as ondas se deslocam com menor velocidade - a crusta -, de um meio mais profundo, onde a velocidade das ondas é maior - o manto. O registo dos dois grupos distintos de ondas P e S era, assim, consequência, da refracção das ondas nesta descontinuidade - o primeiro grupo de ondas P e S correspondia a ondas refractadas e o segundo a ondas directas. A esta separação, crusta-manto, dá-se o nome de descontinuidade de Mohorovicic ou, abreviadamente, Moho.

A espessura da crusta não é constante, variando entre os 5 km e os 10 km sob os oceanos, e entre os 20 km até aos 70 km sob os continentes, sendo os valores mais elevados atingidos nas grandes cadeias montanhosas continentais. Em média, atribui-se à crusta uma espessura de 19 km.

Para o conhecimento da composição da crusta contribuíram, para além dos dados sísmicos indirectos, a observação de rochas da superfície terrestre, os estudos realizados em explorações mineiras, bem como a realização de sondagens com recolha de amostras de rochas.

A constatação de que existe uma diferença entre a velocidade de propagação das ondas P nos oceanos (em média, 7 km/s) e nos continentes (em média, 6 km/s) permite considerar a crusta subdividida em dois tipos - crusta continental e crusta oceânica. Esta variação da velocidade ao longo da crusta deve-se à variação da sua composição - a crusta continental é constituída, essencialmente, por rochas graníticas (ricas em silício e alumínio), enquanto que a oceânica é constituída, essencialmente, por rochas basálticas (ricas em silício e em magnésio). Os dados vulcanológicos, contribuem para a dedução do tipo de rochas que constituem o manto. No entanto, a velocidade das ondas P abaixo da Moho, da ordem dos 8 km/s, sugere uma composição diferente da da crusta.

Assim, com base num critério composicional, inferido pela análise de dados da sismologia, surgiu um modelo para a estrutura interna da geosfera, que a subdivide em:

• crusta (oceânica e continental);
• manto;
• núcleo externo;
• núcleo interno.

Os dados da sismologia e a estrutura do manto

O gráfico da velocidade das ondas internas permite verificar que, no interior do manto, a uma profundidade, sensivelmente, de 660 km, a velocidade de propagação das ondas P e S sofre um ligeiro aumento, sugerindo um aumento de rigidez, facto que justifica a sua divisão em manto superior e manto inferior. Contrariamente, verifica-se que, sensivelmente, entre os 220 km e os 410 km de profundidade, ao nível, portanto, do manto superior, a velocidade de propagação destas ondas diminui, sugerindo que o material rochoso se encontra num estado de menor rigidez, admitindo-se mesmo que se encontre num estado próximo da fusão e, pontualmente, em fusão parcial.

À semelhança do ferrador que, para fazer uma ferradura, precisa de submeter uma barra de ferro ao rubro, também no interior da Terra, devido à combinação pressão-temperatura, as rochas podem ser moldadas e deformadas no estado sólido, devido a uma diminuição da sua rigidez e, eventualmente, a uma incipiente fusão.

Esta faixa de baixa velocidade das ondas sísmicas internas designa-se astenosfera e corresponde a uma variação das propriedades das rochas que constituem esta zona e não a uma variação da sua composição; as rochas da astenosfera têm menor rigidez do que as rochas que se situam por cima e abaixo dela. A existência da astenosfera, dotada de alguma mobilidade devido à sua fluidez parcial, permite considerar o conjunto de rochas suprajacentes, isto é, as rochas dacrusta e de parte do manto superior, como uma unidade rígida a que se dá o nome de litosfera. As placas tectónicas são também designadas placas litosféricas, dado serem, efectivamente, fragmentos da litosfera. Assim, e complementarmente ao modelo que subdivide a geosfera em crusta, manto e núcleo, existe um modelo físico que subdivide a geosfera em quatro camadas, com base na rigidez dos seus materiais:

• a litosfera, rígida e de comportamento frágil, isto é, quebradiço;
• a astenosfera, de baixa rigidez e de comportamento plástico, isto é, moldável/deformável;
• a mesosfera, rígida;
• a endosfera, externamente fluida e de elevada rigidez no seu interior. 

As alterações na trajectória e na velocidade de propagação das ondas P e S sugerem urna heterogeneidade na composição do interior da geosfera, com variações ao nível da rigidez, da incompressibilidade e da densidade dos materiais que a constituem. Por sua vez, variações bruscas na velocidade das ondas P e S permitem inferir a existência de descontinuidades, isto é, de mudança nas propriedades e na composição dos materiais que constituem o interior da geosfera.