La estructura interna de la tierra

Estructura de la tierra. 1. Corteza continental, 2. Corteza oceánica, 3. Manto superior, 4. Manto inferior, 5. Nucleo externo, 6. Nucleo interno, A : Discontinuidad de Mohorovicic, B: Discontinuidad de Gutemberg, C: Discontinuidad de Lehmann

La estructura interna de la tierra está repartida en muchas capas sucesivas, las principales son la corteza terrestre, el manto y el núcleo. Esta distribución está muy simplificada ya que cada capa puede estar a su vez descompuesta. Para poder identificar estas capas los sismólogos utilisan las ondas sísmicas y una ley mediante la cual la velocidad de una onda sísmica cambia brutalmente y de manera impotante cuando hay cambio de medio en la que se transporta, es decir de capa. Este método ha permitido por ejemplo determinar el estado de la materia a profundidades que el hombre no puede alcanzar.

Estas capas están delimitadas por discontinuidades como las Discontinuidades de Mohorovicic, Gutemberg ó la de Lehmann. Para comprender esta constitución es necesario remontar a la formación de la tierra, la cual se formó por acreción de meteoritos y luego de esta formación las diferentes capas se emplazaron a causa de la masa volumétrica de sus constituyentes.

Pero el volumen de una masa dada depende de la temperatura y particularmente para los gases, de la presión. Entonces la masa volumétrica depende de las condiciones de temperatura y de presión m / V es una característica de material.

Algunos alcances históricos

De la antiguedad al siglo XVIII

Desde la antigüedad, numerosos han sido los intentos para dar explicaciones sobre la constitución interna de nuestro globo. Algunos intelectuales han buscado unirla a la visión del terreno (relieves, volcanes, sismos), otros han querido incorporar a sus modelos interpretaciones bíblicas. Para luego dar paso al período donde las hipótesis serán reemplazadas por experimentaciones, esta será la era de la geofísica.

En 1644, la tierra presentada por Descartes en los « Principios de Filosofía” era un sol antiguo que guardó un nucleo de tipo solar cuyas capas externas han evolucionado. Muchas capas se suceden a partir de un centro: roca, agua, aire y luego una corteza exterior en equilibrio sobre este. Esta corteza rasgada ha formado los relieves dejando pasar el agua proveniente de las profundidades dando lugar a mares y océanos.

En la misma época Athanasius Kircher postuló que el globo terrestre era un astro que se enfrió pero que contenía bajo la corteza una materia en fusión que se escapaba de vez en cuando del centro mediante los volcanes. A fines del siglo XVII y en el curso del siglo XVIII, una gran cantidad de hipótesis serán emitidas.

Tierra producto de un antiguo cometa: William Whiston (1667-1752) Tierra compuesta de una mezcla fluida que se depositó por gravedad en el curso del tiempo: Jhon Woodward

(1665-1728) y Thomas Burnet (1635-1715). Tierra hueca con varios huevos concentricos y un nucleo imantado : Edmund Halley (1656-1742) Tierra totalmente hueca donde la fina corteza externa está en equilibrio entre gravedad y fuerza centrífuga:

Henri Gautier (1660-1737).

Del siglo XVIII al siglo XX

Con el desarrollo de la geología, las teorías ahora deberían unirse a la observación y a las medidas geofísicas. El aplanamiento ligero del globo en los polos y la naturaleza ígnea de ciertas rocas conducen a Buffon a pensar que la Tierra en su origen ha estado en fusión. La medida del aumento regular de la temperatura con la profundidad en las minas (1°C por cada 25 metros) incita a Joseph Fournier y a Pierre Cordier (1777-1861) a extrapolar y deducir que el centro de nuestro planeta está en fusión a una temperatura de miles de grados. El origen de esta temperatura será largamente debatida. Esta podría provenir a partir del resto del calor original de un globo en curso de enfriamiento ó la elevación de la temperatura se debería a reacciones químicas ó nucleares internas.

Para William Hopkins, la variación del punto de fusión de las rocas en función de la presión hace nuevamente poner la balanza a favor de un núcleo sólido. El análisis de la composición de las rocas terrestres y meteoritos, así como la medida de la densidad media del globo (5,5) influencia sobre varios modelos donde una fina corteza ligera de silicatos recubre un núcleo metálico voluminoso más denso. El análisis de los datos sismológicos que serán cada vez más precisos van a permitir establecer el modelo actual.

Los métodos de investigación

Investigaciones directas

Exploración humana

La espeleología, actividad de muchas facetas, ha logrado llegar a atravesar los 2000 metros en el Caúcaso Occidental (Abkhazie). La variedad de terrenos explorados en las minas es también muy importante ya que los mineros cotidianamente conviven con el fenómeno de la elevación de la temperatura con la profundidad, las minas más profundas del mundo (~3 500m en la Western deep Levels de Africa del Sur en 2002). Todas estas actividades sólo han logrado rasgar la corteza terrestre.

Los pozos profundos

Los pozos profundos tales como los del programa KTB (Kontinental Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik) que han alcanzado los 9800 metros en Alemania ó el de 13 Km en la península de Kola (Rusia), han ayudado en el conocimiento de la litósfera.

Si bien estas perforaciones han permitido confirmar la estructura y la composición de la corteza, ó de trazar perfiles sísmicos regionales, ellas no han podido alcanzar hasta hoy en día la capa sub yacente. Lo que sí se ha podido comprobar es que la temperatura de las rocas alcanza aproximadamente 300 °C a 10 km de profundidad.

Como la corteza oceánica es más delgada que las placas continentales, muchos proyectos han apuntado por tentar una perforación en estos niveles: MOHOLE y JOIDES en USA, y programas internacionales IPOD ó ODP / DSDP. Ninguna embarcación ha logrado perforar hasta la discontinuidad de Mohorovicic.

El estudio de los meteoritos

Comprender como las capas sucesivas de la tierra se han diferenciado progresivamente, se verá facilitado por el conocimiento exacto de la materia primitiva que le ha dado nacimiento. Los elementos absolutamente indispensables son el Hierro, el Niquel y los Silicatos. Encontramos estos elementos y muchos otros en un tipo de meteoritos llamados Condritas. Ellos contienen pequeñas zonas esféricas de silicatos solidificados posteriores a la fusión.

Algunos como la Condrita Allende contienen una mezca de hierro metálico y de óxido de fierro, así como una gran cantidad de carbono, otros como la Condrita de Indarch que contienen, hierro metálico y un silicato de magnesio (MgSiO3) como la Enstatita que es extremadamente frecuente en el manto terrestre. Otras Condritas más primitivas, muestran hierro totalmente oxidado, ellas son muy próximas a la composición de la nebulosa gaseosa que da nacimiento al sistema solar hace aproximadamente 4,57 millones de años y dela tierra hace 4,45 millones de años.

Entre toda las condritas, sólo aquellas que contienen 45% de Enstatita presentan una composición química e isotópica en adecuación con la densidad y la naturaleza profunda actual de la tierra (muchas capas de silicatos ligeras y un núcleo donde han migrado los metales más pesados). Evidentemente estos meteoritos tienen una talla más pequeña y no son diferenciados, sus elementos han quedado repartidos de manera relativamente homogenea.

Investigaciones indirectas (geofísica)

La tomografía sísmica

El análisis de los registros obtenidos gracias a los sismógrafos permitirá renovar totalmente el modelo de la tierra en el curso del siglo XX. El principio es relativamente simple, luego de un sismo se determina la posición de su epicentro lo más precisamente posible. Luego se registran las vibraciones que se propagan a través de todo el globo. Estos fenómenos ondulatorios se han sometido a leyes físicas tales como la reflexion ó la refracción. Ellas no se desplazan a la misma velocidad según el medio que atraviesan, lo que permite evaluar el contenido de la tierra por el examen de las curvas tiempo/distancia recorridas. Las ondas estudiadas en la tomografía sísmica son las ondas de fondo que recorren el globo terrestre en todas las direcciones. Las ondas de superficie, causantes de los daños a las construcciones civiles, se propagan en la corteza y no dan información sobre las capas profundas.

Ciertas ondas llegan rapidamente estas son las ondas P (las primeras), otras están retardadas y son registradas más tarde, estas son las ondas S (las segundas)

Las ondas P son vibraciones que actúan en compresión, las partículas se desplazan en el sentido de propagación de la onda, un poco como en un resorte ó una onda sonora. Estas ondas de compresión se propagan en los sólidos, los líquidos y los gases. Las ondas S son ondas de corte, las partículas se desplazan perpendicularmente al sentido de propagación de la onda, un poco como una oscilación sobre una cuerda. Estas ondas de corte se propagan en los sólidos pero no en los medios líquidos ó gaseosos.

La velocidad de las ondas P y S varía en función de la densidad del material atravesado. Más la capa atravesada es suave, más las ondas se propagan lentamente. Cuando una onda P arriva no perpendicularmente sobre una zona de transición (interface manto-núcleo por ejemplo) una pequeña parte de su energía es convertida en otra forma de onda (una fracción de P se convierte en S). La interpretación de los estudios sismográficos es difícil porque hay muchos tipos de ondas que se superponen y que deben ser separadas para explicar el origen.

Onda P Onda S

Manto P S

Nucleo externo K

Núcleo interno I J

Una onda PP es una onda P que luego de haber sufrido una reflexión a la superficie del globo terrestre, se queda en el manto antes de reaparecer en superficie donde ella es detectada. Una onda PKP será una onda P que vuelve a salir en superficie luego de haber atravesado el núcleo externo líquido (trayecto=manto/núcleo externo/manto).

En el curso de siglo XX, muchos descubrimientos esenciales se han hecho gracias a la tomografía sísmica.

En 1909, Andrija Mohorovicic detectó en Croacia la interface Corteza /Manto llamada MOHO.

En 1912, Beno Gutemberg (1889-1960) reemplaza la interface manto/núcleo a 2900 Km de profundidad gracias al estudio de las ondas P.

En 1926, Harold Jeffreys (1891-1989) estableció la fluidez del núcleo metálico.

En 1936, Inge Lehmann (1888-1993) descubrió que el interior del núcleo es metálico. Su solidez fue establecida más tarde en el curso de los decenios siguientes.

El estudio del magnetismo

El magnetismo terrestre es un fenómeno muy interesante y muy complejo de interpretar. La tierra se comporta como una suerte de dínamo auto-suficiente que genera un campo magnético importante (que desvía la aguja de la brújula y nos protege de alguna perturbación cósmica). Este campo es variable en el tiempo e invertido muchísimas veces desde su origen. Interpretar esta dinámica es indisociable de la comprensión de la estructura interna del globo terrestre y de sus movimientos.

Tentativas de modelización numérica y de experiencias en laboratorio son motivo de estudio. Ellas aún no han permitido crear un efecto dínamo en una esfera, ellas han mostrado que columnas de convección aparecen a ciertas temperaturas en función de la viscosidad del líquido y de la velocidad de rotación. Estos movimientos son compatibles con las hipótesis de creación del campo electromagnético terrestre tal como lo conocemos.

Modelo Actual

Estructura detallada

Estructura detallada

1) Corteza continental sólida esencialmente granítica sobremontada en mayoría por rocas sedimentarias. Ella es más espesa que la corteza oceánica (de 30 Km a 100 Km bajo los masivos montañosos). La corteza representa aproximadamente 1% del volumen terrestre. Ella se llamaba antiguamente SIAL (Silice +Aluminio).

2) Corteza oceánica solida esencialmente compuesta de rocas basálticas. Relativamente fina. Ella es llamada SIMA (silice+magnesio).

3) Zona de subducción donde una placa se hunde en algunos casos hasta cientos de kilómetros en el manto.

4) Manto superior que es más viscoso que el manto inferior. Está formado esencialmente de rocas como la peridotita (sus minerales son el olivino, piroxeno y granate). En el contacto entre la corteza y el manto superior se puede a veces identificar una zona llamada LVZ.

5) Erupciones sobre zonas de vulcanismo activo. Dos tipos de volcanismo están representados aquí, el más profundo de los dos dicho “punto caliente”. Se tratará de volcanes en los cuales el magma provendría de las profundidades del manto próximo al límite con el núcleo líquido. Si estos volcanes no estarían ligados a las placas tectónicas, ellos serían casi inmóviles en la superficie del globo.

6) Manto inferior con propiedades de un sólido elástico. El manto no es líquido como podríamos creer a partir de las coladas de lava de ciertas erupciones volcánicas pero sí es menos duro que las otras capas. El manto representa el 84% del volumen terrestre

7) Penacho de materia caliente, que parte del límite con el núcleo y funde parcialmente llegando cerca de la superficie de la tierra, produciendo el volcanismo de punto caliente.

8) Nucleo externo líquido esencialmente compuesto de fierro (aproximadamente 80%) y de Niquel junto a algunos elementos más ligeros. Su viscosidad es próxima a la del agua, su temperatura media alcanza 4000 °C y su densidad es de 10. Esta enorme cantidad de metal en fusión es ciertamente agitada (por convección, pero también por diversos movimientos de rotación y de precesión del globo terrestre). Las coladas de fierro líquido pueden engendrar corrientes eléctricas que dan nacimiento a campos magnéticos que refuerzan las corrientes creando un efecto dínamo. El núcleo líquido es entonces el origen del campo magnético terrestre.

9) Núcleo interno sólido, esencialmente metálico consituido por cristalización progresiva del núcleo externo. La presión la mantiene en un estado sólido pese a la temperatura superior a los 5000 °C y una densidad de aproximadamente 13. El núcleo interno y externo representa el 15% del volumen terrestre.

10) Células de convección del manto donde la mteria está en movimiento lento. El manto es el sello de las corrientes de convección que transfieren la mayor parte de la energía calorífica del núcleo de la tierra hacia la superficie. Estas corrientes provocan la deriva de los continentes, pero sus caracteríisticas precisas (velocidad, amplitud, localización) son aún mal conocidas.

11) Litósfera: Ella está constituída por la corteza (placas tectónicas) y de una parte del manto superior. El límite inferior de la litósfera se encuentran a una profundidad comprendida entre 100 y 200 Km, en el límite donde las peridotitas se aproximan de su punto de fusión. Encontramos algunas veces a la base de la litósfera (ciertos geólogos lo incluyen) una zona llamada LVZ (Low Velocity Zone) donde se constata una disminución de la velocidad y una atenuación marcada de las ondas sísmicas P y S. Este fenómeno se debe a la fusión parcial de las peridotitas que engendra una gran fluidez. El LVZ no está generalmente representado bajo las raíces de los masivos montañosos de la corteza continental.

12) Astenósfera: Es la zona inferior del manto superior (por debajo de la litósfera)

13) Discontinuidad de Gutemberg: Zona de transición manto/núcleo.

14) Discontinuidad de Mohorovicic: Zona de transición corteza/manto (ella está incluida dentro de la litósfera).

Características

Dimensiones respectivas de las diferentes capas y temperaturas aproximadas existentes.

Sobre esta figura, las temperaturas están dadas en grados celsius a titulo indicativo. No pudiendo ser medidas directamente sino unicamente deducidas, ellas son aproximativas (más se profundiza, más el margen de error es grande). El globo terrestre no es perfectamente esférico y la línea ecuatorial real es superior a una veintena de kilómetros de la línea polar.

Bibliographie

Publications écrites

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