TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Transcripción

1 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? Observaciones directas Observaciones indirectas Datos sísmicos: indican presencia de discontinuidades en el interior de la tierra. Observación y análisis sobre materiales geológicos expuestos en superficie o colectados a profundidades relativamente someras Datos de aceleración gravitacional : permiten el calculo de la densidad y su distribución dentro de La Tierra. Datos de flujo de calor: refleja la abundancia y distribución de elementos radioactivos en la corteza y manto de La Tierra Datos cosmoquímicos: permiten establecer la composición y procesos de formación de materiales presentes en el interior de La Tierra

2 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? Datos sísmicos: Permiten establecer la presencia de discontinuidades en el interior de La Tierra. El comportamiento de las ondas sísmicas muestra que el interior de La Tierra es claramente heterogéneo, en el sentido de que a diferentes profundidades, los materiales presentan distintas propiedades elásticas. Durante un terremoto se generan diversas ondas sísmicas, unas viajan por el interior de la Tierra: son las primarias P y secundarias S, y otras lo hacen por la superficie como las ondas Raleigh y Love.

3 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? Las ondas P (primarias) son ondas longitudinales o compresionales, lo cual significa que el suelo es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material líquido o sólido. Velocidades típicas son 1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito. Las ondas S (secundarias o de cizalla) son ondas en las cuales el desplazamiento es transversal a la dirección de propagación. Su velocidad es menor que la de las ondas primarias. Debido a ello, éstas aparecen en el terreno algo después que las primeras. Estas ondas son las que generan las oscilaciones durante el movimiento sísmico y las que producen la mayor parte de los daños. Sólo se trasladan a través de elementos sólidos.

4 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? Existen regiones de la Tierra que no reciben la señal del terremoto y que siempre se localizaban en la misma posición opuesta al epicentro del sismo. Se reciben las ondas P pero no a las S. Se empezó a consolidar la posibilidad de que una capa interior de la Tierra fuera fluida ya que se conocía que las ondas S no se propagaban en medios fluidos, así se llegó a precisar que a partir 2900km de profundidad estaba fundido el núcleo. Zonas de sombra P heterogeneidad del núcleo.

5 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? Discontinuidades de 1re orden Mohorovicic: limita la base de la corteza con el manto superior ( 30 km) Liu-Tromp-Dziewonski (1998): heterogeneidad en el manto inferior( 2600km) Gutenberg: limita la base del manto con el núcleo externo ( 2900 km) Lehmann: limita la base del núcleo externo con el núcleo interno ( 5150km)

6 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? DENSIDAD DE LA TIERRA Datos de aceleración gravitacional : Utilizando las leyes de aceleración gravitacional de (Newton), Cavendish ( ) pudo estimar la masa de la tierra, y con las medidas del radio terrestre, calculó la densidad aproximada de la misma (5,46 g/cm 3 ) siendo la aceptada en la actualidad de 5,52 g/cm 3

7 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? DENSIDAD DE LA TIERRA Ahora bien, cómo explicar qué con una densidad promedio de la Tierra como la calculada (5,52 g/cm 3 ), se presente una densidad de los materiales rocosos de la superficie terrestre (2,80 g/cm 3 ) y una densidad interna > 5,46 g/cm 3? 1) Debe haber un cambio en el estado físico (fases minerales o de agregación) que incremente la densidad con la profundidad 2) Debe haber un cambio composicional que incremente la densidad con la profundidad

8 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? DENSIDAD DE LA TIERRA Cuál es la distribución de la densidad en el interior de la tierra? Dependencia de la velocidad de las ondas sísmicas con la densidad y la rigidez V 2 1/ρ ; V 2 µ La densidad total debe corresponderse con el momento de inercia de la Tierra (calculado por la constante de precesión de los equinoccios)

9 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? DENSIDAD DE LA TIERRA Cuál es la distribución de la densidad en el interior de la tierra?

10 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? DENSIDAD DE LA TIERRA Modelo de cambio en el ensamblaje mineralógico del manto superior (Ringwood, 1975) ZONAS (cambio de densidad con presión cero) a) Litósfera b) Astenósfera (fusión parcial) c) Región sólida de fases olivino-piroxeno d) Región sólida de transformación piroxeno--- granate/olivino----estructura β e) Región sólida de transformación granate---- perovskita/ estructura β----espinela f) y g) Región sólida de transformación de espinela----mgo (estruc. halita) + perovskita/ granate----ilmenita

11 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA Observación directa (minas y perforaciones profundas) La temperatura aumenta con la profundidad La velocidad de incremento varía de sitio a sitio, pero en la corteza se ha podido establecer un gradiente geotérmico entre 10 a 50ºC /km, con un promedio de 30ºC/km A partir del gradiente geotérmico y la conductividad de las rocas, se ha podido estimar que el flujo de calor promedio hacia la superficie es de 1,5µcal/cm 2 seg Provincia Flujo de calor µcal/cm 2 seg Cuencas oceánicas 1,28 Ridges oceánicos 1,82 Escudos Precambrico 0,92 Orógenos CZ y MZ 1,92 Áreas volcánicas 2,16 Roca ígnea Calor total producido (erg/g.año) Granitos 235 Ácidas 275 Intermedias 108 Basaltos 72 Dunitas 0,87? K, U, Th

12 Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra? TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA

13 COMENTARIOS PREGUNTAS

14 Estructura Interna de la Tierra Espesores aproximados Corteza (5 a 70 km) Continental (20-70 km) Oceánica (5-10 km) Litósfera (100 a 300 km) Astenósfera (350 a 500 km) Manto (2855 km) Manto superior (365 km) Zona de transición (600 km) Manto inferior (1900km)

15 Estructura Interna de la Tierra CORTEZA Esquema de la Corteza Terrestre (modelo de capas heterogéneas )

16 Estructura Interna de la Tierra MANTO

17 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo de composición pirolírica del manto superior (Ringwood, 1975) Modelo teórico que postula que la composición del manto superior es de 1 parte de composición basáltica toleítica y 3 partes de composición dunítica, en un material que se denomino PIROLITA.

18 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo de composición pirolírica del manto superior (Ringwood, 1975) Según el modelo de Ringwood, la fusión fraccionada del material pirolítico produce el magma basáltico. La mineralogía de la pirolita varía según la presión y temperatura, dando el siguiente esquema de ensamblaje mineralógico (de más somero a más profundo): a) Olivino + anfibol anfolita (corteza oceánica) b) Olivino + piroxeno (pobre en Al) + plagioclasa pirolita plagioclásica c) Olivino + piroxeno (rico en Al) + espinela pirolita piroxénica d) Olivino + piroxeno (pobre en Al) + granate pirolita granatífera

19 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo de diferenciación del material pirolítico en arcos de islas (Ringwood, 1975)

20 Estructura Interna de la Tierra MANTO Secuencias ofiolíticas Complejo de rocas ígneas máficas y ultramáficas constituido por la intercalación de capas (idealizado) de basaltos (superior), gabros (intermedio) y peridotitas (inferior). Se interpreta como trozos de litosfera oceánica (corteza oceánica y parte del manto superior), obducidos en la corteza continental por procesos orogenéticos.

21 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo composicional del manto

22 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo composicional del manto

23 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo composicional del manto Se puede asumir un modelo condrítico para el manto Terrestre?

24 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo composicional del manto Se puede asumir un modelo condrítico para el manto Terrestre?

25 Estructura Interna de la Tierra MANTO Modelo composicional del manto Se puede asumir un modelo condrítico para el manto Terrestre? La preservación de un modelo condritico implica un reservorio enriquecido oculto

26 Estructura zonal de la Tierra Estructura de la Tierra Nombre Características químicas Características físicas Atmósfera O 2, N 2, H 2 O, gases inertes Gaseoso Biósfera H 2 O, sustancias orgánicas y material esqueletal Sólido, líquido y coloidal Hidrósfera Agua dulce y salada, Líquido (y en partes, sólido) nieve y hielo Corteza Rocas silicatadas normales Sólido Manto Material silicatado ultramáfico (olivino, piroxeno y sus equivalentes de alta presión y temperatura) Sólido (una región viscoplástica) Núcleo Aleación Fe-Ni Parte externa líquida y parte interna sólida Tabla tomada de Mason & Moore (1984)

27 Estructura zonal de la Tierra Espesor-porcentaje de masa y volumen de las capas de la Tierra Nombre Espesor (km) % masa % volumen Atmósfera - 0, Hidrósfera 3,8 0,024 0,12 Corteza 17 0,4 0,74 Manto ,2 83,01 Núcleo ,4 16,15 Tabla tomada de Mason & Moore (1984)

28 COMENTARIOS PREGUNTAS

29 Composición de la Corteza terrestre Distribución de las rocas en la corteza terrestre

30 Composición de la Corteza terrestre Composición promedio (%) de algunos tipos de rocas ígneas Oxido Granito Granodiorita Gabro Rocas ígneas promedio* SiO TiO Al 2 O Fe 2 O FeO MnO no reportado MgO CaO Na 2 O K 2 O H 2 O no reportado P 2 O datos tomados de Nockolds (1954) *datos tomados de 5159 análisis : Clarke y Washington (1924)

31 Composición de la Corteza terrestre Goldschmidt sugiere que al analizar muestras promedios que se encuentren ampliamente distribuidas en la superficie terrestre, es posible asociarla con una composición promedio de la corteza. Él trabajó con sedimentos glaciares (arcillas) Por qué? Oxido 77 muestras de sedimentos glaciares SiO TiO Al 2 O Fe 2 O FeO MgO 3.30 CaO 3.07 Na 2 O 2.05 K 2 O 3.93 H 2 O 3.02 P 2 O

32 Composición de la Corteza terrestre Existen otros materiales geológicos de referencia dentro de los cuales destaca el North American Shale Composite (NASC) y el Post-Archean Australian Shale PAAS) Oxido NASC PAAS SiO TiO Al 2 O Fe 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O K 2 O H 2 O P 2 O

33 Composición de la Corteza terrestre Composicionalmente, se ha podido dividir la corteza continental en tres partes: inferior, media y superior. Para Rudnick y Fountain (1995) la composición en función de los óxidos mayoritarios es: Oxido inferior media superior total SiO TiO Al 2 O Fe 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O K 2 O H 2 O P 2 O

34 Composición de la Corteza terrestre Abundancia de los elementos (versus su peso atómico) en la corteza:

35 Composición de la Corteza terrestre Abundancia de elementos químicos mayoritarios en la corteza terrestre

36 Composición de la Corteza terrestre Algunos términos asociado a la abundancia de los elementos Elementos mayoritarios: son aquellos que presenta una concentración mayor a 1 %. Elementos minoritarios: son aquello elemento que presentan una concentración entre 1 % y 0,1% Elementos traza: son aquellos que presentan una concentración menor a 0,1% Elementos dispersos: elementos que aunque se presentan en cantidades considerables en la corteza (generalmente minoritarios o traza) nunca forman fases minerales propias, sino que se encuentran dispersos en minerales comunes. Clarke: término que se refiere al porcentaje promedio del elemento en la corteza. Ejemplo: un clarke de oxigeno es 47; un clarke de Ni es 0,075 Clarke de concentración: factor que muestra la concentración de un elemento dentro de un depósito o mineral particular. Se calcula por X muestra /X clarke

37 Composición de la Tierra como un todo La composición total de la Tierra se encuentra determinada por la composición y abundancia relativa del Manto (67% masa) y el Núcleo (32 % masa). En este sentido se ha tendido ha asumir un modelo condrítico que supone que: a) La aleación de hierro en el núcleo posee la composición promedio de Fe-Ni en los condritos, incluyendo una cantidad de FeS (5.3%). b) La composición del manto más la corteza es la misma que el promedio de los materiales oxidados (silicatos, fosfatos, óxidos) presentes en los condritos. Sobresimplificación de estos enunciados

38 Composición de la Tierra como un todo Elemento Metálico Trolilita Silicato Total Fe Ni Co S O Si Mg Ca Al Na Cr Mn P K Tomado de Mason & Moore (1984)

39 Composición de la Tierra como un todo Abundancia relativa de los elementos Corteza Tierra total Meteoritos Sol Luna O Fe O H O Si O Fe He Si Al Si Si O Mg Fe Mg Mg C Fe Ca Ni S N Ca Na S Ni Si Al K Ca Ca Mg Ni Mg Al Al Fe S Ti Na Na S Ti H Cr Cr Al Cr P Mn Mn Ca Na Mn Co P Ni P Tomado de Mason & Moore (1984) F P Co Na Mn Ba K K Cr V

40 COMENTARIOS PREGUNTAS

41 Diferenciación primaria de los elementos Asumiendo una teoría de formación acrecional y a partir un modelo condritico, es posible explicar una diferenciación original de los elementos químicos en la Tierra. Condritos Fases o grupos de fases Fe-Ni Sulfuros de Fe Silicatos (Fe-Mg) Los elementos se distribuyen inicialmente de acuerdo a la afinidad química con la fase metálica, sulfurada y silicatada en un sistema determinado por el equilibrio Fe- Mg-Si-O-S

42 Clasificación Geoquímica de los Elementos Mediante el estudio de la distribución de elementos en las tres fases (metálica, sulfurada y silicatada) que constituyen la mayoría de los meteoritos, Goldschmidt (1923) propone la primera diferenciación geoquímica de los elementos: Siderófilos: aquellos elementos que muestran afinidad con la fase metálica. Calcófilos: aquellos elementos que presentan afinidad por la fase sulfurada. Litófilos: aquellos elementos que presentan afinidad por la fase silicatada. Atmósfilos: aquellos elemento que presentan afinidad a fases gaseosas

43 Clasificación Geoquímica de los Elementos El carácter geoquímico de los elementos se encuentra fundamentalmente controlado por su configuración electrónica. Algunos elemento pueden mostrar afinidad por más de una fase, debido a que esta distribución se encuentra fuertemente influenciada por la temperatura, la presión y el ambiente geoquímico de el sistema como un todo. El Cr es posee un carácter fuertemente litófilo en la corteza terrestre, pero cuando la fugacidad de oxígeno disminuye drásticamente, adopta un carácter fuertemente calcófilo. El carácter siderófilo del Cu, Ni y Zn disminuye cuando aumenta la temperatura, mientras que aumenta para Mn, Cr, Si, Ta, Nb, Ga y Ti (Corgne et al., 2008)

44 Clasificación Geoquímica de los Elementos

45 Historia pre geológica de la Tierra La Tierra posee una edad de formación de 4567 millones de años Los materiales más antiguos datados en la Tierra poseen una edad de 4470 millones de años (Kleine, Thorsten and Rudge, John F. (2011) Chronometry of Meteorites and the Formation of the Earth and Moon. ELEMENTS, 7 (1). pp ) Las primeras formas de vida años poseen una edad entre 2600 a 1900 millones de Se propone como aceptada la teoría de acreción para la formación de la Tierra. Se postulan dos modelos: Acreción suave y Acreción violenta (modelo más aceptado)

46 Historia pre geológica de la Tierra La acreción violenta sugiere el impacto continuo y violento de cuerpos extraterrestre sobre una protrotierra acrecionada (eón Hadeano). Esto trae como consecuencia la formación de una zona fundida denominada Océano de Magmas similar al sugerido para la formación de la Luna

47 Historia pre geológica de la Tierra Con el modelo de Océano de magma se explica la formación del núcleo terrestre Leer artículo Wood, B The Formation and Differetiation of Earth. Physics Today, 44, No. 12,

48 Historia pre geológica de la Tierra Con el modelo de Océano de magma se explica la formación del núcleo terrestre

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