TEMA 12: La Tierra: origen, estructura y composición La Tierra forma parte de un conjunto de 8 planetas y otros cuerpos celestes menores que orbitan alrededor de una estrella, el Sol. Todo este conjunto, es el resultado de un proceso de formación que distribuyó la materia entre los diferentes planetas y determinó las caracteristicas de cada uno de ellos. 1. El origen del sistema solar y de La Tierra Según las dos teorias que se aceptan en la actualidad, la del big bang y la inflacionista el universo que conocemos se formó hace unos 12000 m.a., cuando todo el espacio, el tiempo, la materia y la energía se concentraban en un punto denominado singularidad (huevo cosmico), que explotó. Esto originó la materia que fue transformandose para dar los atomos, moleculas, nebulosas, galaxias, estrellas, planetas y el resto de cuerpos del universo. 1.1. La formación del sistema solar El sistema solar se formó a partir de esa materia del universo. Se han propuesto dos hipotesis: la de fragmentación y la de condensación Hipotesis catastrofistas o de fragmentación. Son las más antiguas. Consideran que el sistema solar se formó como resultado de acontecimientos violentos que afectaron a un Sol ya formado (como choques con otra estrella). La describió Buffon en 1749 y la teoria mareal de Chamberlain de 1916. Hipotesis nebulares o de condensación. Tanto el Sol como los planetas se formaron a partir de una nebulosa que comenzó a girar sobre si misma y que reunió a parte de la materia en el centro debido a fuerzas gravitatorias: La teoría más aceptada es, la teoría de los planetesimales, de kuiper en 1950.
- La Hipotesis de los Planetesimales: a. La agitación del gas y del polvo de una nebulosa (agitación nebular) Hace unos 5000milones de años se produjo la explosión de una supernova cercana y crea una onda de choque, la nebulosa se agita, el gas y el polvo cosmico comienzan a girar sobre si mismos. b. Formación de un protosol Debido a la atracción gravitatoria entre particulas en movimiento, la materia de esa nube que empezó a girar se concentra en el centro, a su vez, genera una fuerza gravitatoria de particulas que hay a su alrededor formandose un gran nucleo llamado protosol c. Formación del sol y de un disco protoplanetario En esa concentración del protosol, la temperatura y la presión aumentan iniciandose las reacciones termonucleares que hacen que las estrellas irradien luz y calor, así nace el sol. En las reacciones termonucleares se expulsa energía que se va hacia el exterior del sistema y el resto forma un disco plano (disco protoplanetario) que giraban sin caer hacia el sol, con los materiales más densos cerca del centro, y los más ligeros, lejos de él. d. Formación de los planetesimales Así debido a la gravedad, los materiales densos quedaron más cerca del sol y los ligeros más alejados. Con el tiempo esa materia se convirtio en los planetesimales.
e. Formación de los planetas Los planetesimales empiezan a chocar entre sí y se destruyen y se forman de manera continua y forman cuerpos más grandes y de mayor atracción gravitatoria hasta originar los planetas. 1.2. La formación de La Tierra Debido a su disposición en el disco protoplanetario, La Tierra es un planeta rocoso, su formación se debe a 3 etapas: Condensación de planetesimales y fusión: El planeta que dió origen a La Tierra recibió los impactos de otro planetesimales que la hiciero crecer. Estpo liberó calor que hizo que se fundiera por completo. Separación por densidades: El planeta así, era liquido y los materiales se ordenó en capas según sus densidades.en el centro un nucleo metalico muy denso, rodeado de rocas incandescentes que formó el manto y en el exterior quedó una atmosfera primitiva formada por gases desprendidos de la fusión de las rocas. Enfriamiento y evolución: Al enfriarse la superficie se consolidó en una corteza y el vapor de agua de la atmosfera se precipitó formando la hidrosfera. Así fue el comienzo de la evolución planetaria.
2. El estudio de La Tierra Los cientificos tienen un conocimiento muy completo de la superficie, como la atmosfera, hidrosfera, o la corteza pues se puede accedr a ella para observarla por metodos directos. En el i nterior de la geosfera con 6371 km de radio solo puede estudiarse con metodos indirectos.
2.1. Metodos Directos Trata de observar los materiales in situ, nos da a conocer bastante bien como es la superficie terrestre, ya que es accesible para nosotros. a. Estudio de rocas superficiales: Estudia las rocas que afloran a superficie, como las lavas volcanicas o materiales que quedan expuestos despues de la erosión y nos permite deducir los procesos que las afectaron en el pasado, las deformaciones, el metamorfismo etc puede observarse en superficie.. b.estudio de rocas profundas: A través de sondeos, minas se ha podido acceder al interior de la geosfera. Se puede coger muestras de los 15 primeros km, tambien se pueden medir otros parametoros como es la temperatura. c. Experiencias de laboratorio: Reproduce a escala reducida los procesos que tienen lugar en el interior terrestre, se pueden analizar las rocas y someterlas a pruebas fisico-quimico, mirar a microscopio petrografico. 2.2 Los Metodos Indirectos I Son aquellos que permiten elaborar hipotesis y deducir caracteristicas con distintas mediciones de variables terrestres. a. metodo gravimétrico. Mide con un gravimétro el valor de aceleracion de la gravedad en direntes zonas del planeta, teoricamente es de g = 9.8m/s2 y medir respecto a este valor las denominadas anomalias gravimetricas. Asi, un alto valor de g indica rocas densas y un valor por debajo de la teorica son poco densas por estar calientes o fundidas y aporta así datos de densidad y composición de las rocas en distintos lugares de La Tierra
b. metodo magnetico. La presencia de un campo magnetico solo es posible si el interior terrestre si existe un nucleo externo fundido que se mueve y un nucleo interno solido metalico, así el movimiento del fluido metalico sobre el solido induce el campo magnetico. c. metodo electrico Mide las propiedades electricas de las rocas, la conductividad electrica, las rocas secas conducen peor la electricidad, una conductividad alta indica presencia de agua en las capas.
d. metodos geotermicos. El interior terrestre conserva parte del calor inicial y produce desintegración de los elementos radiactivos, este calor fluye hacia el exterior y se denomina flujo geotermico y que no es igual en toda las zonas terrestres. En las regiones donde el flujo es elevado se supone que la corteza es más delgada o que hay rocas muy calientes procedentes del manto profundo. Los valores altos se dan en zonas volcanicas y los bajos en zonas de fosas oceanicas
e. estudio de meteoritos. Proceden del espacio exterior y son fragmentos de protoplanetas semejantes a La Tierra que se desarrollo en capas similares al nuestro pero se disgrego por colisiones con otros planetesimales según de que parte de las capas proceda se llaman sideritos (es un nucleo, formados de hierro y niquel), siderolitos (proceden del manto, a partes iguales compuestos de silicatos ferromagnesianos) y aerolitos (sería de la corteza, formados por silicatos de hierro y aluminio ). 2.3 Los Metodos Indirectos II - El Metodo Sismico: Es el método de estudio indirecto más importante y aporta un gran número de datos sobre el interior de la Tierra. Un terremoto es una liberación brusca de energía que se haya almacenada en las rocas como consecuencia a las tensiones a las que estan sometidas. Cuando se produce una rotura, roce o choque de placas se va a provocar una vibración brusca de los materiales, esto es una onda sísmica.
- los tipos de ondas sismicas que se liberan son: a. Ondas P o primarias o longitudinales: Son ondas longitudinales de compresión. Desplazan las partículas del terreno en la dirección de propagación. Se transmiten en medios sólidos y fluidos. Son las ondas que se mueven a mayor velocidad (V = de 6 a 10 km/s ) b. Ondas S o secundarias o de cizalla: Son ondas transversales. Desplazan las partículas del terreno perpendicularmente a la dirección de propagación. Se transmiten solo en medios sólidos y su velocidad de propagación es menor que la de las ondas P. Se transmienten entre 4 y 7 km/s. c. Ondas superficiales: Son ondas que se generan al llegar las anteriores a la superficie del terreno. Los daños causados por los terremotos y los maremotos son consecuencia de estas ondas. Viajan de 2 a 6 km/s. Son de dos tipos:
Ondas Rayleigh o R: mueven la superficie y forman crestas y valles, como el oleaje marino. Ondas Love o L: se desplazan en el plano horizontal, perpendicularmente a la direccion de propagación. Mueven el terreno de lado a lado, como el movimiento de las serpientes.
- La propagación de las ondas sismicas Se ha experimentado en los laboratorios el comportamiento de estas ondas para el estudio del interior terrestre, así: La velocidad de las ondas aumenta con la rigidez y la densidad de los materiales que atraviesa. En una capa formado por los mismos materiales, uniforme, la velocidad aumenta con la profundidad debido a la presión. Las ondas P viajan más rapido que las S. Las ondas P atraviesan todos los tipos de materiales y las S solo los solidos. Las ondas al pasar de un material a otro experimentan una reflexión (rebotan) o una refracción (cambio de dirección) es decir que cambian la trayectoria y la velocidad, a esto se le denomina Discontinuidad sismica indicando así las diferentes capas de diferente composición y densidad.
Interpretar las ondas sismicas: 1.- Interpreta la grafica de estos planetas: a. La estructura del planeta es homogénea o heterogénea? b. Cuantas discontinuidades aprecias y a qué profundidades se encuentran? En qué te has basado? c. Cuántas capas tiene el planeta? d. Cuál es el estado físico de los materiales de cada planeta? e. Comenta como varía la rigidez y la densidad en el planeta f. Realiza un esquema de la estructura del planeta.
2.- Construye la grafica de transmisión de la velocidad de las ondas P y S en un planeta (elige los valores que tú quieras): a. El planeta es homogéneo b. El planeta es heterogéneo y va aumentando gradualmente la rigidez del medio c. El planeta es heterogéno pero la rigidez va disminuyendo d. El planeta presenta 3 capas: capa 1: sólida y de rigidez creciente capa 2: fluída y con la densidad que aumenta capa 3. sólida y con la rigidez cte 3.- La imagen representa la propagación de las ondas S por 3 planetas distintos: a. La estructura del planeta es homogénea o heterogénea? b. Cuál es el estado físico de los materiales de cada planeta?
- Las ondas sismicas y el interior terrestre Los datos del metodo sismico indican que al propagarse por el interior terrestre, las ondas varian de direccion y velocidad, Estos cambios son las discontinuidades sismicas. Las principales son: Mohorovicic (20 km de profundidad) Gutenberg (2900km de profundidad) Lehman (5100km de profundidad) Grafica de La Tierra:
3. La geosfera y su estructura 3.1. Los modelos del interior de La Tierra: Existen 2 modelos el geoquímico o estático y el dinámico El modelo geoquimico usa como criterio la composición quimica de los materiales y propone 3 capas: corteza, manto y nucleo El modelo dinamico su criterio es el comportamiento mecanico, densidad, estado fisico-quimico de los materiales y propone 4 capas: Litosfera, astenosfera, mesosfera y endosfera. Modelo Geoquímico: (Bullen, 1.963) Que divide a la Tierra en capas concéntricas basándose en su composición: corteza, manto (superior e inferior) y núcleo (externo e interno). La primera de estas discontinuidades se denomina Mohorovicic, separa la corteza del manto, y su profundidad varía respecto de la superficie, según las zonas, entre 5 y 60 Km, al pasar por ella la velocidad de las ondas P y S aumentan bruscamente su velocidad. A medida que las ondas van profundizándose en el manto van aumentando su velocidad. A los 1000 km existe una disminución en el incremento de la velocidad lo que permite diferenciar manto superior de inferior (discontinuidad de Repetti. La segunda discontinuidad importante es la que separa al manto del núcleo, se denomina Gutenberg y se encuentra a una profundidad de 2900 Km. Se caracteriza por el brusco descenso en la velocidad de propagación de las ondas sísmicas P (pasan de 14 a 8 Km/seg) y por la desaparición de las ondas S. Una tercera discontinuidad, menos destacada, aparece a una profundidad de 5000 Km. Es la discontinidad de Lehmann, también denominada de Wiechert-Lehmann, que separa dos regiones de diferente comportamiento físico: Un núcleo externo, fluido, que no permite el paso de las ondas S, y un núcleo interno, más rígido, en el que aumenta de nuevo la velocidad de las ondas P hasta valores superiores a los 11 Km/seg. Otras discontinuidades de menor importancia se localizan: A unos 15 Km por debajo de los continentes (discontinuidad de Conrad). Otra discontinuidad "menor", pero de sumo interés, es la capa de baja velocidad. Corresponde con una zona comprendida entre 100 y 250 km de profundidad en la que se origina un descenso en la velocidad de las ondas P y S. Se cree que se encuentra parcialmente fundida, hecho que provoca el descenso de velocidad. En la actualidad, y gracias a la información aportada por los distintos métodos geofísicos, especialmente el método sísmico, se diferencian dos modelos acerca de la estructura y composición de la Tierra.
Modelo Dinámico: Este modelo se ha tenido en cuenta el estado físico y la dinámica de las capas. En la zona más superficial existe una capa de comportamiento rígido de un espesor de 100 Km, llamada litosfera, la cual incluye a la corteza y una región llamada manto litosférico que forma parte del manto superior. Entre 100 y 250 Km se halla una zona de comportamiento plástico, que corresponde con el canal de baja velocidad. Esta zona se considera que está formada por materiales parcialmente fundidos. Recibe el nombre de astenosfera, y en ella se originan corrientes de convección que determinan la dinámica de la litosfera. A partir de 250 Km y hasta 2.700 Km se sitúa la mesosfera, con una dinámica de corrientes de convección, penachos o plumas térmicas Por último, la endosfera coincidiendo con el núcleo del modelo geoquímico.
El modelo aceptado en la actualidad integra a los 2 modelos tanto el geoquimico como el dinamico. 3.2. La corteza terrestre 1. 2. 3. 4. 5. Límites de la corteza: es la zona de la Tierra situada entre la hidrósfera y la atmósfera por un lado, y la superficie de Mohorovicic, por otro. Espesor: 50 km de espesor medio, con irregularidades; su volumen representa el 6% del volumen total de la Tierra. Densidad media: 2 7g/cm3 Composición: es la zona más variada pero la mejor conocida; los elementos más abundantes son el oxígeno y el silicio, pero también hay aluminio, hierro, magnesio, calcio, sodio y potasio. Los compuestos más abundantes son los óxidos, y dentro de ellos, los silicatos y otras sales minerales. Es la capa superficial, solida, rigida y separada del manto por la discontinuidad de Mohorovicic.
Su grosor dependerá si es oceanica o continental (más gruesa) El numero de capas, la continental 3 capas (sedimentos, granitos y basaltos) y la oceanica solo 2 (no tiene granitica) La antiguedad, es más joven la oceanica Capa sedimentaria. Es la superior, más o menos plegada, que puede faltar pero que en algunos lugares supera los 3 Km. de espesor. Su densidad es de 2.5 gr/cm3. Capa granítica. Posee una densidad de 2.7 y un espesor medio del orden de 10 a 15 Km. Además de granitos se encuentran gran variedad de rocas metamórficas (como Micasquistos y Gneises). Capa basáltica. Es la más profunda, con un espesor de 10 a 20 Km y densidades de 2.9 o algo superiores. Actualmente se discute la naturaleza de los materiales que la constituyen (anfibolitas, gabros, etc). Entre la capa granítica y basáltica puede existir un contacto brusco, señalado por las ondas P y S y es conocido con el nombre de discontinuidad de Conrad. Este modelo estructural presenta algunas modificaciones en áreas bien definidas de la superficie terrestre, diferenciando horizontalmente entre cratones y cordilleras orogénicas.
La Corteza oceanica: - Estructura horizontal: Bien conocida gracias al desarrollo de la Oceanografía. Se caracteriza porque en ella no está presente la capa granítica y su edad no supera los 200 millones de años. La corteza oceánica tiene mayor densidad que la continental. En la corteza oceánica podemos distinguir distintos tipos de zonas geológicas, cada una definida por un relieve característico. Fondos oceánicos o abisales: por lo general a profundidades superiores a 4.000 m, topografía más o menos llanas en las que aparecen elevaciones de diferente tipo: mesetas, guyots, volcanes, islas, etc. Constituyen la mayor parte de los fondos marinos. Comprende, una capa sedimentaria (más o menos fina) y un zócalo de composición basáltica. Posee aproximadamente 7 km de espesor. Corteza de las dorsales oceánicas: Las dorsales son cordilleras submarinas de miles de kilómetros de longitud que poseen un eje o valle central llamado Rift. Existen 3 dorsales principales, la dorsal Atlántica, la Indica y la Pacífica. En ellas falta la capa sedimentaria. Son las zonas de la superficie donde la discontinuidad de Mohorovicic se encuentra más elevada (la corteza es más delgada) Fosas oceánicas: depresiones estrechas y profundas del fondo oceánico que pueden llegar a alcanzar los 11 Km y están próximas a los bordes continentales o arcos islas.
- Estructura vertical: Su espesor es de los 3 a los 15 km. Solo presenta 2 capas sedimentos y basaltos que limitaría con el manto Antiguedad no supera los 180 m.a. - La corteza continental La estructura horizontal: Es la que forma los continentes y sus plataformas sumergidas. En superficie hay 2 regiones: Cratones, que son zonas extensas y antiguas con un relieve suave debido a la erosión Orogenos o cordilleras, se debe al plegamiento y elevación del terreno por fuerzas tectonicas. La estructura vertical El espesor medio de la corteza es de 30 km auque puede llegar a 70 km bajo las cordilleras. En la corteza continental pueden encontrarse rocas muy antiguas de unos 500m.a.
3.3 El MANTO Es la zona situada inmediatamente por debajo de la corteza. Está limitado por su parte exterior por la superficie de discontinuidad de Mohorovicic, y en su parte interior por la superficie de discontinuidad de Gutemberg. Se extiende desde los 50 km hasta los 2.900 o 3.000 km; su volumen representa el 82% del volumen total de la Tierra. Densidad media: 4 3 g/cm3 Composición: el estudio del manto se realiza por métodos aún más indirectos que el de la corteza, pues no podemos llegar a él. Quizás los datos más importantes son los deducidos de la composición y frecuencia de los meteoritos, que son fragmentos de rocas extraterrestres que deben proceder, en su mayoría, de la fragmentación o formación de un planeta cuya órbita estaría situada entre la de Marte y la de Júpiter y cuya composición sería análoga a la de la Tierra. Estudiando la propagación de las ondas sísmicas a través del manto, se observa que entre los 900 y los 1.000 km. aparece una discontinuidad secundaria que divide al manto en dos partes: el externo y el interno, de tal manera que el último es más denso que el primero, ya que las ondas sísmicas se propagan más rápidamente. También se ha observado dentro del manto externo, a una profundidad comprendida entre los 50 y los 250 km, que la velocidad de las ondas sísmicas disminuye, lo que hace pensar en una zona más fluida, llamada astenosfera.
3.4. El NÚCLEO 1. Es la zona de la Tierra comprendida entre la discontinuidad de Gutenberg y el centro de la Tierra, es decir, es una esfera rodeada por la discontinuidad de Gutenberg.. Entre los 2.900 a 3.000 y los 6.000 km. Su volumen representa el 16% del volumen total de la Tierra. 2. Densidad media: entre 9 y 10 g/cm3, aunque se supone que puede llegar a 17 g/cm3. Es, por tanto, la zona de la Tierrra donde se encuentran los materiales más pesados. 3. - Composición: la densidad de algunos meteoritos coincide bastante con los valores medios calculados para el núcleo. Por esta razón, y teniendo en cuenta que el hierro es el elemento pesado más abundante en el sistema solar, muchos autores admiten que el núcleo terrestre está formado fundamentalmente por hierro con una pequeña porción de níquel. Del estudio de las ondas sísmicas al atravesar la Tierra, se observa que las ondas "S" no penetran en el núcleo, o sea, al menos en la parte externa se comportaría como un fluido. Las ondas " P " sufren, al llegar a la profundidad de 5.000 km, un aumento de velocidad (discontinuidad de Wiechert-Lehman) que divide al núcleo en dos partes, núcleo externo (fluido) y núcleo interno (sólido).
Ejercicios Tema 12 1. En qué se diferencian las hipótesis catastrofistas y las nebulares sobre el origen del sistema solar? 2. Explica con un texto la teoría de los planetesimales 3. Por qué se fundió la Tierra durante su proceso de formación? Qué consecuencia tuvo este evento? 4. Cómo se formó la hidrosfera terrestre? 5. Qué información sobre el interior de la Tierra proporciona el campo magnético? Por qué? 6. Qué indican las diferencias en el flujo geotérmico que se detectan en distintas zonas de la Tierra? 7. Explica las diferencias y las semejanzas que existen entre las ondas P y las ondas S. 8. Qué conclusión extraen los geólogos de la existencia de discontinuidades sísmicas en el planeta? 9. Indica las diferencias entre litosfera, corteza y manto, y entre corteza continental y oceánica. 10. En qué se diferencian los dos modelos que explican el interior terrestre? 11. Explica las diferencias entre el núcleo externo y el núcleo interno. 12. Explica las diferencias entre las ondas sísmicas de tipo P, S y L. Haz un dibujo de cada una de ellas. 13. Por qué crees que la mayoría de los científicos piensa que la Tierra debió de estar fundida completamente en alguna de las etapas de su proceso de formación?