2.2 NATURALEZA FÍSICO-QUÍMICA
DE LAS PRINCIPALES CAPAS DE LA TIERRA
Corteza
La corteza se ha formado a partir de los materiales del manto
La corteza de la Tierra tiene un grosor medio inferior a 20 Km, lo que la convierte en la más fina de las divisiones terrestres. A lo largo de esta capa existen grandes variaciones de grosor.
Corteza oceánica
La corteza oceánica es mucho más delgada entre 6 y 12 Km.
Densidad media: 2,9 g/cm3
Muy reciente. La corteza oceánica más antigua tiene 180 m.a.
Las cuencas oceánicas profundas se hallan bajo 4 Km de agua de mar así como debajo de centenares de metros de sedimento.
Nivel 1: Capa de sedimentos
Nivel 2: Coladas submarinas de lavas almohadilladas y diques basálticos en la base
Nivel 3: Rocas magmáticas plutónicas (gabros)
Con los barcos oceanográficos se hizo posible el obtener muestras del suelo oceánico profundo. Como se había previsto, las muestras obtenidas estaban compuestas fundamentalmente por basalto. Muchas erupciones volcánicas han generado muchas islas localizadas dentro de las cuencas oceánicas profundas.
Dorsal oceánica
Lavas almohadilladas
Corteza continental
Las rocas de la corteza en la capa estable del interior de los continentes llegan a un grosor de 30 Km. Además en ciertas regiones montañosas excepcionalmente destacadas, se puede llegar a los 70 Km.
Las rocas continentales tienen una densidad de 2,7 g/cm3 (menor que la oceánica)
Se han encontrado rocas continentales que superan los 4.200 millones de años de antigüedad.
A partir de los estudios sísmicos y de las observaciones directas, se calcula que la composición media de las rocas continentales es comparable a la de las rocas ígneas félsicas de tipo granodiorita.
La corteza continental es rica en los elementos Na, K y Si. Aunque son abundantes numerosas intrusiones graníticas y rocas metamórficas químicamente equivalentes, en los continentes se encuentran también muchas veces grandes afloramientos de rocas basálticas y andesíticas.
Manto
Aproximadamente el 82 % del volumen terrestre está contenido dentro del manto, una capa gruesa de casi 2900 Km de espesor formada por rocas silicatadas que se extiende desde la base de la corteza (Discontinuidad Moho) hasta el núcleo externo líquido.
Conocemos los materiales del manto a través de datos experimentales, método sísmico y del examen del material traído hasta al superficie por las erupciones volcánicas.
La composición del manto es bastante homogénea aunque se va enriqueciendo progresivamente en hierro con la profundidad.
Está formado principalmente por peridotitas (olivino, piroxenos y granates), dunitas (olivino) y eclogitas (roca metamórfica de composisicón parecida a los piroxenos). En la zona inferior del manto se copnvierten en óxidos.
El manto se divide en mesosfera o manto inferior, que se extiende desde el límite núcleo - manto hasta una profundidad de 660 Km; y manto superior hasta la base de la corteza. Además se han identificado otras subdivisiones. A una profundidad de 400 Km se produce un aumento abrupto de la velocidad sísmica. Mientras que el límite corteza - manto supone un cambio de composición, en esta zona se produce un cambio de fase. Se produce un cambio de fase cuando la estructura cristalina se modifica en respuesta a cambios de la temperatura, de la presión o de las dos cosas. Los estudios de laboratorio muestran que el mineral olivino (Mg, Fe)2 SO4 que es uno de los constituyentes principales de la peridotita se transforma en un mineral de alta presión mas compacto: la espinela. Este cambio a una forma cristalina más densa explica el aumento observado en las velocidades de las ondas.
Se ha detectado otro límite dentro del manto como consecuencia de las variaciones en la velocidad sísmica a 660 Km. A esta profundidad se cree que el mineral espinela experimenta una transformación al mineral perovskita (Mg, Fe)SiO 3 . Se cree que este mineral se extiende a más profundidad, por lo que quizás sea el mineral más abundante de la Tierra.
En los aproximadamente 200 Km inferiores del manto existe una región conocida como Capa D . Recientemente se ha observado que la velocidad de las ondas P disminuye al atravesar esta zona. La explicación más razonable es que la capa superior del manto esta fundida en algunas zonas.
Datos del manto
- La densidad aumenta progresivamente de 3,5 (M. Superior) a 5,6 (M. Inferior)
- La presión pasa de 0.05 a 0.5 x10 6 Atms en el manto superior a medida que vamos adentrándonos, a 1,4 x 10 6 atms ya en el manto inferior.
- La temperatura es de 2000-2500 °C en el manto superior y de 2.600-3.300 °C en el manto inferior
- Su composición química formada por silicatos ferromagnesianos, es decir, de rocas ultrabásicas del tipo de las peridotitas y como minerales más típicos tenemos el olivino, los piroxenos, las espinela o el granate.
Para explicar el movimiento de la Litosfera y el fundamento de la Tectónica de Placas, se presentó la necesidad de una esfera débil, Astenosfera de Barrell, que daba también explicación al comportamiento de las ondas sísmicas de Gutemberg, que se mantiene en el debate científico hasta la década de los noventa. , en que con la tomografía axial por ordenador se puede radiografiar el interior de la Tierra. La tomografía axial de la Tierra, detecta la subducción hasta el núcleo lo que implica que el manto fluye, y entierra la necesidad de una esfera débil en la parte superior de él. El esfuerzo requerido para que el manto sublitosférico arrastre las placas no precisa de un nivel de baja viscosidad entre ambos, pues la velocidad de las placas pueden explicarse con un manto de viscosidad uniforme. Ello es debido a que la convección en estado sólido del manto terrestre (2900 km. de espesor) es el mecanismo motor de la tectónica de placas y de toda la actividad geológica asociada a esta en la superficie de nuestro planeta, como son la deriva continental, la sismicidad, el vulcanismo y las orogenias. La convección en el manto y la tectónica de placas constituyen un solo sistema en el que las placas oceánicas son la cubierta térmica superior, enfriada en la convección. El motor del lento movimiento de las placas y del manto es el calor radiactivo y el enfriamiento residual del planeta a través de sus 4500 millones de años de historia.
Conclusión: La Astenosfera nunca existió
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Núcleo
Se extiende desde el borde inferior del manto hasta el centro de la Tierra.
Constituye una sexta parte del volumen de nuestro planeta y una tercera parte de su masa total. Se trata de una gigantesca esfera metálica que tiene un radio de 3.485 km, es decir, un tamaño semejante al planeta Marte.
La presión en el centro es de millones de veces la de la superficie y la temperatura puede superar los 6700 ºC. Los datos sísmicos han permitido descubrir que esta formado por una capa externa líquida de unos 2.270 Km y una esfera sólida con un radio de 1.216 Km separados por la discontinuidad de Wiechert
Una de las características más interesantes del núcleo es su densidad. Su densidad media es de 11 g/cm 3 , y 14 g/cm3 en el centro de la Tierra. Ni siquiera a esta presión los silicatos, que son las rocas más comunes en la superficie, podrían tener esta densidad, es por eso que se cree que el núcleo esta formado por otros compuestos.
Los meteoritos dieron la respuesta a la composición del núcleo. Como son parte del sistema solar, se cree que son los primeros materiales que se agregaron al formarse nuestro planeta. La composición oscila entre los meteoritos metálicos (de Fe y Ni) y los meteoritos rocosos (formados por peridotitas). Como el manto y la superficie no contienen una cantidad muy importante de Fe, se cree que la mayoría de este material se halla en el núcleo. Además es el único material del Sistema Solar que posee las propiedades sísmicas y una densidad parecida a la del núcleo. Los cálculos actuales indican que el núcleo contiene un 95% de Fe, y un 5% de Ni y otros materiales como S y O.
Origen del núcleo
La explicación más aceptada sugiere que el núcleo se formó al principio de la historia de la Tierra a partir de lo que en principio era un cuerpo bastante homogéneo. Durante el periodo de acreción la Tierra se calentó gracias a la energía liberada por las emisiones de partículas que caían sobre ella. Después del periodo de crecimiento, la temperatura fue lo bastante elevada como para fundir los materiales y movilizarlos. Los materiales pesados se reunieron y hundieron hacia el fondo, en cambio los materiales, más ligeros flotaron y formaron la corteza. En poco tiempo, desde el punto de vista geológico, la Tierra adoptó la configuración en capas conocida actualmente.
En la etapa de formación, todo el núcleo era probablemente líquido, en cambio al irse enfriando la Tierra, este empezó a cristalizar y a formar el núcleo interno. Conforme la Tierra se enfríe más y más, en el futuro, el núcleo interno crecerá a expensas del externo.
Recientemente ha surgido otra hipótesis, la hipótesis sintética quizá más satisfactoria: El núcleo se formó por fusión catastrófica en una tierra aún en formación.
La tierra comenzaría a crecer a partir de silicatos y metales mezclados, pero se calentaría a causa de los impactos y cuando solo tenía la mitad de su tamaño actual, el hierro se fundió y descendió para formar el protonúcleo. Este no sería previo al manto pero sí anterior a la formación del planeta, aunque en esta tierra semifundida y aún en crecimiento, las nuevas partículas metálicas se fundirían y se añadirían al núcleo metálico, que terminaría de formarse al mismo tiempo que la propia Tierra.
Una vez formado este núcleo fundido se comenzaría a enfriarse y en su parte central se solidificaría, formando el núcleo interno. El calor latente de fusión desprendido pondría al nucleo externo en un movimiento convectivo complejo que por producirse en el seno del campo magnético protosolar generaría un campo eléctrico y en ultimo caso el campo magnético.
Se han medido magnetizaciones remanentes en rocas de hasta 3.500 m.a. lo que permite asegurar que el campo magnético terrestre existe al menos desde esa fecha
Campo magnético terrestre
La idea de que el núcleo es una esfera interna sólida, rodeada por una capa líquida móvil, esta reforzada por la existencia del campo magnético terrestre. Este campo se comporta como si en el interior de la Tierra, tuviéramos una gran barra metálica imantada. De todas maneras sabemos que el material del interior de la Tierra esta demasiado caliente para que pueda conservar sus propiedades magnéticas. Para que presentara un campo magnético se necesita un material conductor de la electricidad (Fe) y de sea móvil (el núcleo externo).
El propio campo magnético afecta a la rotación del núcleo interno sólido. Este gira de oeste a este aproximadamente 1º al año mas deprisa que la superficie de la Tierra. Por tanto cada 400 años se produce una rotación extra. Además el eje de rotación del núcleo esta desalineado unos 10º con respecto a los polos rotacionales de la Tierra.
Aunque la densidad probable se corresponde con la de numerosos elementos de la tabla periódica como el vanadio, la existencia de un importante campo magnético de estructura dipolar solo puede explicarse con un elemento metálico en el núcleo, y el hierro es el único elemento suficientemente abundante en el universo como para formar una masa tan importante como es el núcleo terrestre. El único inconveniente es que el hierro a la presión que existe en el núcleo es demasiado denso para la densidad del núcleo.
Aquí otra vez de nuevo aparece el estudio de los meteoritos, de los SIDERITOS. Parece probable la existencia en el núcleo de NIQUEL (un 5 a 10%) pero no es suficiente para rebajar la densidad que produciría el hierro. Hace falta un elemento ligero que además se disuelva en hierro fundido y forme aleación con el hierro sólido a alta presión. El análisis de los sideritos nos ofrece la presencia del mineral TROILITA (SFe). Hipótesis de un núcleo de SULFUROS DE HIERRO Y NIQUEL (Azufre supondría un 8-10% en peso). La presencia de un 10% de azufre rebaja el punto de fusión 1000 °C. La posible presencia de azufre no descarta otros elementos como oxígeno y silicio.
Aunque no está demostrado, es probable que el núcleo interno y externo tengan igual composición. Si es así la discontinuidad entre uno y otro correspondería al intervalo de fusión del material componente.
