Bajo nuestros pies: estructura y composición de la Tierra, Ctma

Estructura y composición de la Tierra

El gran interés del hombre por saber cómo es, cómo se comporta y de qué está formado el planeta que habita, le ha llevado a la aplicación de numerosos métodos de estudio, que le han ayudado a establecer una estructura interna de la Tierra.

La Geosfera

Sobre la geosfera actúan dos tipos de energía:

• Energía del interior de la Tierra, conocida como energía geotérmica. Esta energía proviene de dos fuentes diferentes:
  • Calor residual o remanente que se desprendio en los procesos de formación de la Tierra, y que conserva la Tierra desde su formación.
  • Desintegración de los materiales que poseen elementos radiactivos (uranio, radio, talio ... ). Gracias a esta energía, se producen los procesos geológicos internos (bruscos como los seísmos y volcanes, o lentos como los orogénicos responsables de la formación de las grandes cordilleras). Estos procesos crean relieve.
• Energía procedente del Sol, gracias a la cual se producen en la superficie terrestre los procesos geológicos externos, procesos destructores del relieve. Estos son: meteorización, erosión, transporte y sedimentación. Los procesos geológicos externos e internos se suceden de forma continúa dando lugar a lo que en geología se conoce como el Ciclo Geológico (conjunto de procesos geológicos que se suceden de forma cíclica, modelando el relieve de la superficie terrestre). Durante este ciclo se produce un intercambio de materia y energía de la geosfera con los demás subsistemas, la atmósfera, hidrosfera y la biosfera.

Métodos de estudio del interior terrestre

Podemos llegar a conocer los materiales que existen en el interior de nuestro planeta a través de métodos de observación directa y métodos indirectos, que permiten deducir la composición y propiedades de los materiales profundos a partir de otros datos.

Métodos directos de estudio

Prospección y sondeos. Las minas son excavaciones que se realizan para la extracción de minerales y rocas. Las más profundas se encuentran en Suráfrica y alcanzan casi 3'6 Km. Los sondeos son perforaciones taladradas en el subsuelo que se utilizan con muy diversos fines (extracción de petróleo, prospección minera, investigación ... ). El más profundo se encuentra en Siberia (Rusia) y llega hasta unos 12 Km. Estos métodos aportan datos directos muy importantes para varios campos de investigación, pero son poco significativos para el estudio del interior de la Tierra, pues si comparamos las profundidades que alcanzan con el radio medio de la Tierra (6.370 Km) se comprende que apenas suponen un rasguño sobre su superficie.

1Curso de Acceso a Grado Superior. Asignatura: CTMA. Unidad Didáctica 3 1 2 C (Conglomerado) C-I A (Arenisca) M (Marga) D (Dolomía) C-II Basalto Caliza C-III

Estudio de los materiales arrojados por los volcanes. Los materiales que expulsan los volcanes pueden haberse formado a una cierta profundidad del subsuelo, del orden de decenas de kilómetros. El análisis petrológico de estas rocas nos puede dar una idea de la composición química de las regiones más profundas en donde se han formado estos magmas. Pero existen dos limitaciones importantes que hacen que estos datos sean poco significativos:

• Procesos de diferenciación magmática: que hacen que la composición de la lava arrojada no sea representativa de la del magma original.
• Inclusiones y contaminación de magmas: pueden aportar datos más importantes para el estudio del interior, pues son fragmentos de rocas profundas que han sido arrancadas e incorporadas por el magma que circula en su ascensión. También pueden alterar la composición del magma original por reacción química con los componentes del propio magma.

Métodos indirectos de estudio

Estudio de la densidad. Tal como has visto para calcular la densidad de un cuerpo se necesita la masa y el volumen. El volumen de la Tierra se puede conocer por métodos geodésicos y la masa se calcula matemáticamente a partir del valor de la gravedad.

g = K R2 MT MT=g R2 K

Mediciones muy exactas llevadas a cabo modernamente arrojan un valor de densidad media de la Tierra de 5'5 gr/cm3. Esta densidad resulta más alta que la de las rocas superficiales a las que tenemos acceso de modo directo (granito, basalto ... ). Hay que admitir, por tanto, que en el interior de la Tierra debe de haber materiales y rocas de mayor densidad para subir la media.

Ensayos en laboratorio. En los laboratorios se realizan desde estudios geoquímicos de minerales, rocas, meteoritos y fluidos, hasta análisis de tipo físico sobre muestras. También se reproducen, a escala, las condiciones que se cree existen en diversos procesos geológicos, mediante bancos de pruebas y modelos simulados. Un ejemplo es el de las células de yunque de diamantes, con las que se simula las condiciones de alta presión del interior terrestre.

Estudio de meteoritos. Son pequeños cuerpos planetarios que cruzan la órbita de la Tierra y debido a su atracción gravitatoria pueden llegar a caer en su superficie. Tienen edades de unos 4.500 m.a. (= que la de la Tierra) y también derivan de la materia a partir de la que se formó el Sistema Solar.

En función de su composición, hay varios tipos:

• Metálicos o Sideritos: constituido por una aleación de Fe y Ni. d= 7,5 g/cm3. Abundancia: 5%
• Mixtos o Siderolitos: aleación Fe-Ni y silicatos en la misma proporción. d= 5'0 g/cm3. Abundancia: 2%
• Rocosos o Aerolitos: son los más abundantes y ligeros, d=3.5 g/cm3 Abundancia: 93%.

2Curso de Acceso a Grado Superior. Asignatura: CTMA. Unidad Didáctica 3 De su estudio se deduce que todos los planetas, como la Tierra, tienen una estructura en capas, siendo conocidas en los meteoritos las capas más profundas que son las que más resisten la desintegración. Por similitud, los aerolitos corresponderían a la composición de la corteza y el manto, los sideritos al núcleo y los siderolitos al límite del núcleo y el manto. De todo esto no hay nada totalmente confirmado.

Métodos geofísicos

Los métodos geofísicos intentan conocer las características del interior terrestre basándose en la medida de ciertas magnitudes físicas tomadas generalmente en la superficie del terreno. Los métodos geofísicos más utilizados son: geotérmico, magnético, gravimétrico, eléctrico y sísmico. Este último es, con diferencia, el que mejor permite conocer el interior terrestre.

Método geotérmico. La temperatura de la Tierra aumenta con la profundidad. Se denomina gradiente geotérmico el aumento de temperatura que se produce cada 100 metros. Su valor medio en la corteza terrestre es de 3º C. Este valor puede variar de unas zonas a otras (anomalías térmicas). Por ejemplo, la presencia de masas fundidas (magma) cerca de la superficie hace que el valor del gradiente sea mayor del esperado (anomalía positiva).

Métodos geomagnéticos. La Tierra genera un campo magnético en su entorno, de carácter bipolar. Es como un gigantesco imán. La intensidad de este campo se puede medir en superficie mediante instrumentos específicos (magnetómetros). La unidad de medida que se utiliza para la intensidad magnética es el oersted. Su valor normal en la superficie de la tierra es de 0,4 oersted. Dicho valor puede variar (ver mapa de anomalías inferior). Por ejemplo, la presencia de metales de hierro cerca de la superficie puede hacer aumentar el valor de la intensidad. El campo magnético fósil presente en las rocas puede ser semejante al actual o de sentido contrario, lo que nos indica que a lo largo de la historia de la Tierra ha habido inversiones.

nT 20 15 10 S 5 0 -5 N -10 -15 -20

Métodos gravimétricos. El valor medio de la gravedad (g) en la superficie de la Tierra es de 9,8 m/s2. Mediante instrumentos específicos (gravímetros) podemos medir dicho valor en cada punto. El valor de g puede sufrir cambios de unos puntos a otros (aunque se trata de desviaciones muy pequeñas). Las causas de dichas variaciones se deben a la densidad de los materiales del subsuelo: si las rocas del interior son muy densas (por ejemplo, minerales metálicos) el valor de g será mayor del esperado. Por el contrario, para materiales poco densos, los valores de g obtenidos serán menores. Por ejemplo, la presencia de bolsas de petróleo asociadas a domos salinos (materiales de baja densidad) originan valores de g bajos.

3Curso de Acceso a Grado Superior. Asignatura: CTMA. Unidad Didáctica 3

Métodos eléctricos. Se basan en la medición de la resistividad de las rocas o en su inversa, la conductividad. Se utilizan tanto para investigar el interior de la Tierra como por su aplicación a la prospección de recursos minerales.

Métodos sísmicos. El estudio de la velocidad de propagación de las ondas que se producen en terremotos o en explosiones controladas sirve para el conocimiento de la corteza en búsqueda de yacimientos y para el conocimiento del interior de la Tierra. La velocidad de las ondas depende de las características elásticas del medio por el que se propagan, por lo tanto, de su composición química, estado físico y densidad, entre otras variables. Con estos datos se pueden realizar perfiles sísmicos profundos u otras técnicas como la reflexión sísmica vertical o la tomografía sísmica. Las ondas que generan los sismos y que se propagan por el interior de la Tierra son diversas (las trataremos detenidamente en el tema de los terremotos de esta unidad). De ellas, las más interesantes para el estudio del interior terrestre son las ondas internas P o Primarias y S o Secundarias. Las primeras (P) son más veloces que las segundas (S) y se propagan en todos los medios; las S sólo lo hacen sobre medios sólidos. Estudiando cómo varían las velocidades de las ondas sísmicas P y S en su propagación por el interior terrestre, diversos científicos fueron identificando una serie de discontinuidades que venían a confirmar la esperada heterogeneidad de la parte interna de nuestro planeta.

Estructura interna de la Tierra

A continuación se muestra la estructura interna de la Tierra:

Discontinuidades sísmicas

La simple observación de cómo varían las velocidades de las ondas P y S, pone de manifiesto la existencia de cambios bruscos en la velocidad de las ondas, que corresponden a superficies de separación de materiales de diferente comportamiento y naturaleza. Dichos cambios corresponden a las discontinuidades sísmicas. La presencia de estas discontinuidades indica una constitución heterogénea del globo terrestre.

Las principales discontinuidades que encontramos en el interior terrestre son las siguientes:

• Discontinuidad de Mohorovicic:
  • Presenta unos límites irregulares, unas veces se encuentra a 65 Km de profundidad bajo grandes cordilleras y otras veces se encuentra a 5 Km en el fondo de los océanos.
  • Esta discontinuidad está generalizada en toda la Tierra. Separa corteza y manto.
• Discontinuidad de Repetti:
  • Se encuentra entre los 800 y 1.000 Km de profundidad. Separa el manto superior del inferior.
• Discontinuidad de Gutenberg:
  • Sobre 2.900 Km las ondas P sufren un cambio brusco en su velocidad de propagación y las S dejan de propagarse; es ahí donde se encuentra esta discontinuidad, que separa el manto del núcleo (que debe encontrarse en un estado fluido).

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