Ilustraciones de
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PREFACIO A LA SEGUNDA EDICION
La cariñosa acogida dispensada a nuestro intento de ofrecer un texto en el ·que los procesos geológicos predominen sobre la nomenclatura, y que al propi·o
tiempo proporcione al estudiante un medio de valorar las bases de los métodos geológicos, así como las incertidumbres a ellos inherentes, ha sido la causa que nos ha llevado a publicar esta segunda edición de Principios de Geologia. En esta revisión l1emos juzgado conveniente incorporar al libro muchos de los importantes avances logrados en la ciencia geológica durante los últimos siete años, al par que iniegrar sus materiales en una ordenación más intima y, por ello, más didáctica. Se han rehecho y reorganizado todos los capítulos con el fin de tener en cuenta los avances menconados. Los recientes conocimientos acerca de las rocas sedi­ mentadas y las condióones de su depositación han exigido consagrar a este tema un capitulo enteramente nuevo (Cap. XVII), y las extensas aportaciones sobre estratos fósiles y cronología han precisado que se les dedique un capítulo com­ pleto en lugar de medio. También hemos refundido y ampliado las secciones re­ ferentes a las rocas y procesos metamórficos.
Esta segunda edición está especialmente dedicada a los numerosos profesores que nos han escrito-tanto a nosotros como a los editores-simpatizando con nuestra labor, y ofreciéndonos de paso sugerencias muy valiosas para el perfec­ cionamiento en la ordenaeión o en la selección de los temas. Vaya nuestro cordial agradecimiento a quienes dieron f'stas pruebas de amabilidad. Muy en particular deseamos dar las gracias al doctor Frank C. Calkins, quien leyó atentamente la primera edición y nos proporcionó un ejemplar de la miHt cuidadosamente ano­ tado; al doctor Charl('s G. Higgins, que hizo una revisión critica de los capítulos primero a décimo de este manuscrito, y al doctor Olcott Gates, que rea.lizó idéntica labor para los capítulos undécimo y siguientes. Las excelentes indicaciones de estos tres geólogos nos han ayudado enormemente en la tarea de condensar el material y de disponerlo en un orden más adecuado. Además, nos suministraron materiales los siguientes señores: Charles B. Hunt, para el capítulo IV; el doctor M. G. Wolman, para los V y XII, y el doctor Francis J. Pettijohn, para el XVII.
Nos hallamos en deuda con los doctores P. D. Snavely, Vincent Kellcy y W. U. t Iamiltotl por haber seleccionado nuevas ilustraciones para el libro.
Por último, nos sentimos profundamente agradecidos a la señora Mary Gill, que mecanografió la mayor parte de nuestro manuscrito, librándonos además de tener que preocuparnos de muchos otros detalles enojosos.
1$ de agosto de 1958.
JAMES GILLUL y
PREFACIO A LA PRIMERA EDICION
Pretende este libro resumir algunos de los conocimientos que los geólogos han obtenido del estudio de la Tierra. Tema de tanta amplitud, debe tratarse muy brevemente si se quiere presentar bajo las cubiertas de un solo volumen; por ello, hemos decidido concentrarnos en el análisis de los procesos que se producen sóbre y en el interior de la Tierra, en lugar de ofrecer un catálogo descriptivo de hechos y definiciones. Hemos creido también que los estudiantes deben conocer parte, al menos, de los testimonios que sirven de base a las con.clusiones geológicas, aun no ignorando que su exposición ha de ocupar páginas muy valiosas que podrian haberse utilizado para describir nuevos hechos.
Algunos profesores lamentarán la breve exposición que dedicamos a muchos de los temas que usualmente se hallan en los textos de geología fisica. Esperamol> que este defecto quede compensado por la inclusión de nuevos materiales que abarcan múltiples aspectos cientificos en los que se han efectuado rápidos avan­ ces durante los últimos años, y, sobre todo, por nuestra intención-a la que he­ mos dado gran importanciade conducir a los estudiantes a través de un hilo de razonamiento muy aproximado a la evolución del desarrollo histórico de cada uno de los temas. Creemos que un estudiante podrá retener mejor los fundamentos de la geología si se le expone, p. ej., cómo se elaboran los mapas geológicos, o si se l e explican los 'diferentes puntos de vista de Werner y de Desmarest sobre el origen de los basaltos, en vez de instruirlo con exceso de detalle sobre los tér­ minos puramente técnicos de la morfología del paisaje o de la clasificación petro­ gráfica. Esperamos también que nuestto método lleve consigo un conocimiento más preciso de las incertidumbres que íntrinsecamente encierran los testimonios indirectos, sobre los cuales descansa en gran parte la ciencia geológica.
La geologia, cual hoy la conocemos, apt>nas podría existir sin sus fundamexit.os estratigráficos que la dotan de la dimensjón temporal. De acuerdo ccn ello, he­ mos esbozado algo de su desarrollo en vez de dejarlo para un curso ulterior de geologia histórica.
Somos deudores a muchas personas por su ayuda en la preparación de este libro, aunque solo podemos mencionar aquí a unas pocas. La contribución de Robert R. Compton excede con mucho de lo que indica la portada: además de preparar las ilustraciones, ha escrito un capitulo y examinado críticamente los restantes.
El personal de W. H. Freeman and Company nos ha prestado su ayuda y su aliento sin fallos, liberándonos de paso de realizar numerosas y pesadas tareas de detalle.
Damos especialmente las gracias a nuestros colegas S. E. Clabaugh, John X
PREFACIO A LA PRIMERA EDICION XI
Shelton, George A. Thompson. Roger Revelle, Wal.ter Munk, John C. Crowell, Arthur D. Howard, C. Melvin Swinney, Robert Sharp, D. I. Axelrod, W. C. Put­ nam, Cordell Durrell, George Tunell, M. N. Bramlette y George Bellemin, que han leído algunos capítulos y nos han ayudado generosamente con su crítica construc­ tiva y con su aportación de nuevas ideas.
En cada una de las figuras se indica a quienes las debemos. De modo general, hacemos constar aqui nuestro agradecimiento a la amabilidad del U. S. Geological Survey, del Geological Survey del Canadá y de la U. S. Air Force, por darnos oportunidad de utilizar sus archivos fotográficos. Eliot Blackwelder, Robert C. Frampton, Howard A. Coombs, John Shelton y Arch Addington también nos han permitido elegir varias fotografías de sus notables colecciones particulares.
La señorita Margaret Ellis y la señora Priscilla Feigan han pasado a máquina el manuscrito y nos han prestado otras valiosas ayudas.
23 de diciembre de 1950.
JAMES GU.LUL y
INDICE GENERAL
CAP. l.-Introducción . . . . . . .
• Pág.
1-1. Los enigmas de la Tierra, pág. 1.-1-2. Minerales, riqueza y pollUca, 2.-1-3. El estudio de la geologla, 3.
IX
X
1
CAP. 2.-Mtnerales y materia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2-1. Definición de mineral, pág. 7.-2-2. Forma y estructura de los cristales, 7.-2-3. La teorfa atómica. 10.-2-4. Estudio de los cristales con rayos X, 13.-2-5. El te­ traedro del sUicio, 18.-2-6. Variaciones en la composición qufmica de los minerales, 20 .. -2-7. Mineraloides, 21.-2-8. Identificación de minerales, 22.-Cuestlones, 22. Lecturas recomendadas, 22.
CAP. 3.--El archivo de las rocas., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3-1. •El presente es la clave del pasado•, pág. 24.-3-2. Las rocas sedimentarias, 25.-3-3. Rocas lgneas, 33.-3-4. La enigmática roca llamada granito, 42.-3-5. Ro- cas metamórficas, 45.-Cuestlones, 53.-Lecturas recomendadas, 54.
CAP. 4.-La meteorización y los suelos. . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4-1. Meteorización, pág. 55.-4-2. El suelo, 56.-4-3. Análisis de la meteorización, 56. 4-4. Suelo residual y perfil edáflco, 63.-4-5. Colores de los suelos, 66.-4-6. Los fac- tores climáticos de la meteorización, 67.-4-7. Velocidad de la meteorización, 71. 4-8. Resumen, 73.-Cuestiones, 74.-Lectu.ras recomenda\'ls, 75.
CAP. 5.-La erosión 5-1. Los agentes erosivos, pág. 77.-5-2. Energia utilizada por la erosión, 77.-5-3. La erosión sobre las tierras, 79.-5-4. La erosión submarina, 95.-5-5. Principios sobre que se basan los procesos erosivos, 101.-5-6. Testimonios geológicos de la erosión, 101.-Cuestlones, 104.-Lecturas recomendadas, 105.
76
CAP. 6.-Mapas geológicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6-1. Dificultades en la elaboración de mapas geológicos, pág. 106.-6-2. Los primeros mapas geológicos, 107.--6-3. Los cuatro postulados fundamentales en el levanta­ miento de mapas geológicos, 111.--6-4. Las formaciones, 112.--6-5. Cómo se levan- tan mapas de formaciones con afloramientos escasos, 113.-6-6. Cortes geológicos, 116.--6-7. La textura de las rocas y los mapas geológicos, 118.-6-8. Limitaciones de escala, 123.-Cuestiones, 123.-Lecturas recomendadas, 124.
CAP. 7.-Estratos, fóstles y cronologla . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7-1. La sucesión de las faunas y la correlación, pág. 125.-7-2. Serie geológica uni­ versal, 126.-7-3. La escala cronológica en geologla, 128.-7-4. Primeras evaluacio- nes en la cron.ologia geológica, 134.-7-5. Recientes evaluaciones cronológicas, 135. Cuestiones, 140.-Leeturas recomendadas, 141.
XV
CAP. 8.-Movimientos de la corteza terrestre . . . . . . . . . . . . . . 142 8-1. Desplazamientos mensurable& de la corteza terrestre, pág. 142.-8-2. Testimo- nios geológicos de desplazamientos en la corteza terrestre, 150.-8-3. Fenómenos coetáneos de plegamiento, erosión y dcpositación, 1.54.-8-4. Pliegues que han cesa- do de crecer, 158.-C.uestiones, 160.--Lecturas recomendadas, 161.
CAP. 9.---Huellas de movimientos ocurr.ldos en la Tierra . . . . . . . . . 162 9-1. La •horizontalidad primitiva•, clave de la estructura, pág. 162.-9-2. Curva- turas y estratos suavemente inclinados, 163.-9-3. Pliegues, 170.-9-4. Grietas y fallas, 176.-9-5. Discordancias, 182.-9-6. Agrupadones regionales de rasgos es­ tructurales, 188.-9-7. Consl'cuencias de amplio alcance, 1.89.-Cuestiones, 190.-Lec- turas recomendadas, 191.
CAP. 10.-Gravedad, isostasia y resistencia 10-1. Tamaño y forma de la Tierra, pág. 192.-10-2. El máximo relieve de la Tierra, 195.-10·3. Gravedad, 198.-10-4. Isostasla, 204.-10-5. El geoide y el esferoide, 211. 10-6. Resistencia, 214.-Cuestiones, 219.-Lecturas recomendadas, 219.
CAP. 11.--Movimientos descendentes del suelo y de las .rocas . 11-L Clases de movimientos descendentes, pág. 220.-11-'2. Arrastres, 221.-11-3. Corrimientos y flujos lentos, 226.--11-4. Col'rimientos y flujos rápidos y avalanchas, 229.--11-5. Corrimientos y corrientes detrltk..as prehistóricas, 235.-11-6. Significa­ ción e importancia de los movimientos descendentes, 238.-11-7. Influencia de la cubierta vegetal, 239.-11-8. Conclusiones, 240.-11-9. Aplicaciones en ingenieria, 210.--Cuestiones, 242.-Lecluras recomendadas, 2<13.
192
220
CAP. 12.-La erosión fluvial y la deposttación . . . . . . . . . . . . . . 244 12-1. El c.audal, pág. 245.-12-2. Aluviones, 250.-12-3. !\-lecánica de la erosión por las corrientes, 254.-12-4. Perfil longitudinal y estado de equilibrio, 257.-12-5. De· pósitos fluviales, 270.-12-6. Modelado del paisaje, 276.-CuesUones, 288.- Lectu- ras recomendadas, 284.
CAP. 13.-Los glaciares y la glaciación. . . . . . . . . . . . 285 13·-1. El limite de las nieves perpetuas, pág. 285.-13·2. Campos de nieve, 286.-1.3-3. Clases de glaciares, 290.-13-4. La carga glaciar, 293.-13-5. Forma de los depósitos glaciares, 303.-13-6. Modificaciones topográficas debidas a los glaciares, 306.-13-7. Períodos glaciares en ép09'1S pasada¡, 309. -13-8. Cauass los climas de glaciares, 321.---13-9. E!eetos de las cargas glaciares sobre la corteza terrestre, 326.-Cues­ Uones, 327.-Lectw·as recomendadas, 327.
CAP. 14.--Las aguas subterráneas . . . . . . . . . . . . . . . . 328 14-l. Origen del agua subterránea, pág. 328.--14-2. Nivel hldrostático o superficie pie?.omét.rica, 329.-14-3. Poros, grietas y canales subsuperfic!al•·s, 330.-H·'L Aguas confinadas o mantos cautivos: pozos artesianos, 332.-14-5. Movimiento del agua subterránea, 933.-14-6. Composición del agua subterránea, 339.-147. Las aguas subterráneas en las rocas formadas por carbonatos, 341.-14-8. Disolución y cementación provocadas por las aguas subterráneas, 344.--14-9. Reservas norteame­ ricanas de aguas subterráneas, 344.-14-10. Aspectos económicos y legales en la utilización de ·las aguas subterráneas, 348.-Cuestiones, 349.-Lecturas recomen­ dadas, 350.
CAP. 15.-Los desiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 15-1. Influncias climáticas, pág. 351.-15-2. Hidrografia inter·ior, 352.-15-3. Pro- cesos geológicos que tienen lugar en los desiertos, 354.-15-4. Relación entre la pen­ diente y la estructura, 358.-15-5. Evolución de los elementos del paisaje desértico, 358.-15-6. Acción del viento, 362.-15-7. ForJnas superficiale& de las arenas mó· viles, 368.-15-8. Características de las dunas arenosas antiguas, 376.-15-9. El loes, 377.-Cuestiones, 377.-Lecturas recomendadas, J78.
INDICE GENERAL
CAP. 16.-Los océanos 16-1. Rasgos generales oceánkos, pág. 379.-16-2. Circulación del agua marina, 382. 16-3. Mareas, olas y corrientes, 386.-16-4. Erosión por las olas, 396.-16-5. Per­ fil de equilibrio, 400.-16-6. Corrientes de oleaje, 401.-16-7. Influencias de caráctt>r artificial sobre los procesos del litoral, 403.-16-8. Accidentes litorales de naturaleza erosiva y sedimentaria, 404.-16-9. Regiones biológicas marinas, 408.-16-10. Los arrecifes coralinos, 411.-16-11. Cañones submarinos, 415.-Cucst.iones, 420.-Lec­ turas recomendadas, 421.
XVII
379
CAP. 17.-Las rocas sedimentarias y las condiciones de su sedimentación . . 422 17-1. Volumen de las rocas sedimentarias, pág. 422.-17-2. Abundancia de las dis- tintas variedades de rocas, 423,-17-3. Estratificación, 425.-17-4. Sedimentos te rrestres, 432.-17-5. Sedimentos marinos, 434.-17-6. Comparación de los sedimen- tos litorales antiguos y moder.nos, 445.-17-7. Depositación de la caliza y de la dolomi- ta, 451.-17-8. Slnteis estratigráficas, 453.-{:uestiones, 461.-Lecturas recomen­ dadas, 462.
CAP. 18.-La aettvldad ígnea y el metamorfismo. . . . . . . . . 463 18-1. Volcarles, pág. 464.-18-2. Mesetas basálti<:as, 475.-18-3. Masas ígneas ln­ trusivas, 477.-18-4. Flsicoquímica de la cristalización magmática, 488.-18-5. Ro- tas metumórticas, 491.-Cuestiones, 497.-Lecturas re('Omendadas, 498.
CAP. 19.-Los sismos y el interior de la Tierra . . . . . . . . . . . . . . 499 19-1. Efectos de los terremotos, pág. 499.-19-2. Causas de los terremotos, 503.-19-3. Las ondas sísmicas y su propagación, 508.--19-4. Sismógrafos, 510.-19-5. La corteza ter·restre, 522.-19-6. Las profundidades del interior de la Tierra, 527.-19-7. Un modelo de la Tierra, 530.-Cuestioncs, 536.--·Lccluras recomendadas, 536.
CAP. 20.-Las montañas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 20-1. Clases de montañas, pág. 537.-20-2. Cordilleras de plegamiento, 538.-20-3. Montañas volcánicas, .)55.-20-4. Las f Basin RangcS-1, 556.-20-5. Montañas de cur­ vatura, 557.-20-6. Resumen de la estructura montañosa, 558.-20-7. Historia de las fajas plegadas, 560.-20-8. Las raíces montañósas, 564.-20-9. Areas cscutiCormcs, 564.-20..10. Las profundidades oceánicas y las tajas de anomaUas negativas, 566. 20-11. Especulaciones sobre la formación ele las montañas, 569.-Cuestiones, 582. Lecturas recomendadas, 583.
CAP. 21.-Reeursos minerales . . . . . 21-1. La revolución industrial, pág. 584.-21-2. La hase Phineral de la ('ivilización, 585.--21-3. Rasgos prominentes de los recursos minE-raJes, 587.-21-4. Importancia eco­ nómica de los recursos minerales, 590.-Cuestioncs, 621.-Lccturas recomendadas, 622.
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APÉND. J.-Los mapas y su levantamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 623 l-1. Escalas, pág. 623.-1-2. Limitaciones de los mapas, 62;!.-T-:t MaJlas topogr·á- ficos, 627.-T-5. Mapas hidrográficos o batimétrico, 1)30.
APÉND. IT.-ldentificación de minerales . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 II-1. Análisis pelrográfico, pág. 632.-Il-2. Análisis co11 rayos X, 632.- ll-3. Aná- lisis químico, 632.-II-4. Determinación por medio de las propiedades física. Ca­ racteres organolépticos, 633.-ll-5. Relación de minerales, 636.
APÉND. III.-Jdentificación de rocas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 lll-L Estructuras JnÍIS comunes de las rocas $cdímcntarias, pág. 644.··-llf-2. Estruc- turas más comunes de las rocas ígneas, 645.-IIf-3. Estructuras más comunes de las rocas metamórficas, 646.-111-4. Modo de utilizar las tablas y listas de rocas, 647. III-5. Rocas sedimentaria ms comunes, 647.- 111-6. Rocas ígn('a más ('Omunes, 643.-III-7. Rocas metamórfkas, 657.
APÉND. !V.-Datos químicos . . . . . . . . 661
CAPITULO 1
INTRODUCCION
1-1. Los enigmas de la Tierra.-Desde la aurora de la civilización, el hombre ha sentido curiosidad por la Tierra en que vive. ¿Por qué entra en t'rupción un volcán? ¿Cuál es la c:lUsa de un terremoto? ¿Qué origen tiene el agua que brota de un manantial?
Con frecuencia, ruando su curiosidad le condujo a bnsc.:'lr respuesta para tales cuestiones, hubo de enfrent."irse con numerosos enigmas todavía más desconcertan.­ tes. ¿Cómo las conchas marinas vinieron a quedar enterradas en las roc.as de las más eleva'das cordilleras? ¿,A qué se debe que algunos cursos de agua estén limitados por arenas sueltas en una orilla y por roca compacta en la otra? ¿,Qué causa tit>nen las bellas formas geométricas de los copos de :jeve y demás cristales? ¿Por qué razón un pozo mana agua abundante, mientras esta seco otro de la misma pro­ fundidad'?
Sería interesante conocer cómo intentó el hombre en un principio resolver estos enigmas, pero las primeras raíces del conocimiento humano sobre la Tiena se han perdido en la antigüPdad. Los hombres de hoy disponemos, en cambio, de ciertos jalones que indican el camino a seguir, ya que los científicos han elabo­ rado un método de investigación y una compilaeión de conocimientos que lla- mamos Geología o Ciencia de la Tierra. •
'
camino hacia su solución. El progreso geológico no ha tenido un ritmo uniforme: ha habidn períodos, por lo general inmediatos a deseubrimientos básicos, en los cuales las consecuencias de una actividad fructífera han revolucionado con rapidez teoría y métodos geológicos; durante otras época!':>, {'rt cambio, el avance ha sido escaso. En ocasiones, los geólogos han seguido una senda errónea, con lo cual los progresos en determinadas ramas de la ciencta condujeron a callejones sin salida. Luego, la adquisidón de ulteriores datos y de nuevas técnicas ha permitido finalmente demoler los dogmas acumulados y tornar otro punlo de pdrtida.
Los antiguos griegos y también otros pueblos de civilizaciones pasadas reali­ zaron algunos progresos en el estudio de la geología; pero sus ideas, basadas prin­ cipalmente en especulaciones sin control experimental, apenas han sobrevivido. La moderna ciencia geológica es de origen relativamente reciente y el propio
GILLULY.-1 1
Cap. 1: JNTRODUCCION
término no cuenta aún 200 añqs. Sin embargo, y pese a su juventud, la geologia ha hecho ya mucho por estimular y aclarar el pensamiento humano. La demos­ tración de que las conchas y caparazones marinos, y demás fósilesl incluidos en las rocas, son restos de plantas y animales que vivieron en el pasado geológico, sirvió para destruir dogmas que habían falseado durante siglos el pensamiento del hombre. La doctrina evolucionista surgió al estudiar detalladamente los paren­ tescos biológicos entre organismos fósiles y vivientes, y al investigar a la vez las secuencias y transformaciones de los conjuntos fósiles en el tiempo. La doctrina de la evolución ha influido profundamente sobre el moderno pensamiento cien­ tífico y filosófico.
La evidencia, bien documentada, de que los paisajes en torno nuestro no son estáticos, sino que cambian lentamente a través de los tiempos, no ha dejado de estimular la imaginación de los hombres que meditan. El cultivador de trigo que labra los llanos de Alberta, fríos y azotados por el viento, siente curiosidad ante las conchas arrancadas por su arado, y su interés se acrecienta cuando se le dice que el examen de aquellas conchas, y su comparación on las de organis­ mos marinos hoy vivientes, demuestra que su granja fue otrora el fondo de un mar cálido y poco profundo.
¿Quién puede negar la emoción que se produjo cuando llegó a saberse que el emplazamiento del actual Cbicago estuvo hace menos de 20000 años cubierto por un manto de hielo, cual el que hoy envuelve la Antártida? ¿O que las verdes y húmedas colinas del Midland Valley, en Escocia, fueron en otro tiempo asiento de dunas movibles similares a las del actual Sabara? Y, sin embargo, en las rocas y suelos de las orillas del lago Michigan y en las canteras de areniscas próximas a G1asgow se hallan las pruebas de ambos hechos, y con tanta claridad como 1as deliberaciones del Senado romano lo están en las obras de Cicerón.
La ciencia geológica ha aportado al hombre nuevos conceptos sobre el tiempo, al igual que la astronom.ta ha revolucionado sus ideas sobre el espacio. Las rocas archivan hechos, algunos de los cuales datan cuando menos de 2500 millones de años, y acen resaltar en agudo contraste la breve duración de la historia humana cuando se la compara con la de la Tierra. Es fascinante leer registros dejados en las rocas, que nos permiten reconstruir hechos del drama de la historia terrestre sucedidos hace millones de años. Es esta fascinación la que ha llevado al hombre a elabo:rar la ciencia geológica, y la que, junto con lo» beneficios económicos de ella derivados, hará para siempre que continúe explorando los enigmas de la Tierra.
1-2. Minerales, riqueza y política.-El interés del hombre por los minerales y las rocas de la corteza terrestre cesó hace tiempo de ser una mera curiosidad; hoy existen sólidas rawnes de carácter práctico para su investigación. Nuestras
1 Los fósiles son restos o huellas de animales y plantas que vivieron en otras épocas ¡eoló­ glcas, conservados naturalmente al quedar sepultados bajo depósitos sedimentarios.
Sección 1-3: EL ESTUDIO DE LA GEOLOGIA 3
modernas civilizaciones hacen amplio uso de los minerales y rocas que componen la capa exterior de la Tierra, y la industria depende casi totalmente de ellos. De los minerales obtenemos hierro, cobre, aluminio y otros metales que hacen po­ sible la civilización industrial. Nuestras fuentes principales de energía son los combustibles minerales: el carbón y el petróleo, y en fechas recientes se ha con­ seguido liberar las fantásticas cantidades de energía almacenadas en los minerales radiactivos.
Incluso gran número de nuestras necesidades y caprichos se pueden realizar gracias a las industrias de base mineral. Los ladrillos de las viviendas, la sal que sazona los alimentos, los materiales con que se pavimentan las carreteras, los ornamentos de oro, plata y piedras preciosas con que se adornan las personas, todos ellos se han extraído de depósitos minerales situados en la corteza terrestre. La avidez humana en busca del oro, de la plata, del cobre y de las gemas que halagan su vanidad o le ofrecen seguridad y riqueza comenzó muy pronto en los anales de la dvilizacióo. Una vez que el hombre hubo poseído los minerales, buscó el modo de refinarlos y mejorarlos, a la par que descubría nuE>vos fines a que des­ tinarlos. Como resultado de ello surgieron las artes y oficios del metal y de la piedra, que, a su vez, se ampliaron hasta convertirse en el vasto conjunto indus­ trial que hoy conocemos.
En el ámbito internacional, el poder y la riqueza de una nación están deter­ minados en gran parte por sus reservas de minerales útiles, por su autoridad sobre las zonas que las contienen y por su habilidad técnica para descubrirlas y utili­ zarlas. En esta época de reajuste político, sabemos que las extensas acumula­ ciones petrolíferas de Irán, Arabia y Kuwait constituyen una gran fuerza en la política mundial. Nuestros conocimientos sobre política internacional serán más precisos cuando sepamos cómo se presenta el petróleo, cómo se descubre y cómo puede valorarse su cantidad.
No se habrían producido jamás muchos de los grand avances geológicos sin un incentivo, de base económica, para localizar y explotar la riqueza mineral oculta en la Tierra, pues la geología es la ciencia de la mina y de la cantera, del campo petrolífero y del placer.
1-3. El estudio de la geología.-Los temas que componen esta ciencia son com­ plejos y variados, pero también sumamente interesantes. Pocos de sus problemas. son tan sencillos que puedan resolverse directamente con un solo método o ca­
mino: muchos exigen investigaciones cuyas técnicas hay que tomar de otras ciencias. Los geólogos se surten continuamente de los nuevos métodos químicos, biológicos, físicos y de la ingeniería, así como de aquellos de sus datos y teorías que pueden aplicar a los problemas de la Tierra. En correspondencia, la geología ha contribuido también al desarrollo de estas ciencias con ella relacionadas. Los progresos en cualquier rama científica ayudan a Jos de las restantes.
Debido a la complejidad de sus problemas y a la magnitud de los fenómenos que estudia, la geología no ha avanzado tan rápidamente como la física o las
4 Cap. 1: INTRODUCC!ON
matemáticas. No le es posible al geólogo transportar un volcán a su laboratorio para observar cómo crece su cono, ni puede tampoco extender un manto de turba sobre su mesa de trabajo para seguir durante millones de anos su transforma­ ción en carbón. Y, sin embargo, se trata de dos de los fenómenos geológ:cos más simples. Los factores tiempo y tamaño dificultan, y a menudo imposibilitan, el estudio experimental de muchos procesos. Enfrentados con estos obstáculos aparentemente insuperables, los geólogos han tenido que idear ingenios y mé­ todos indirectos para dar respuesta a numerosas cuestiones. Pese a las dificul­ tades inherentes a su sustancia científica, han conseguido éxitos sobresalientes al predecir los lugares en que debía perforarse en busca de petróleo o de otros yacimientos minerales, y también al llegar a soluciones comprobables de pro­ blemas científicos muy complejos.
Para triunfar, los geólogos han de desarrollar su imaginación y su capacidad en recursos. Han de tomar decisiones firmes apoyándose en datos incompletos, y a veces en aparente oposición. Han de valorar y coordinar testimonios de carácter muy diverso para decidir, p. ej., dónde debe abrirse un pozo de petróleo o dónde hay que iniciar la explotación de un placer aurífero. Sus gllías fundamentales son, por supue:,to, los datos obtenidos del levantamiento de mapas y de otras técnicas geológicas. A veces han de tener también en cuenta los resultados de las exploraciones geofísicas, los datos referentes a la producción de otros pozos o placeres, y una mezcla de testimonios adicionales suministrados por ingenieros, economistas, químicos y físicos, o extraldos de muchas otras fuentes.
Tan numerosos, complejos y variados factores, junto con lo nuevo de esta ciencia, se combinan para hacer de la geologia un vigoroso cuerpo de conocimientos en rápida expansión. Cualquier estudiante que la elija como profesión tiene un ancho campo donde escoger lo que ha de estudiar y hacer. Durante los dos pri­ meros años deberá aprender más química, física y matemáticas que geología, ya que un conocimiento ~lemental pero sólido de estas ciencias básicas es esencial para muchas de las cuestiones con que se enfrentará en cursos más avanzados. Deberá aprender algunas de las técnicas corrientes de laboratorio, si bien se dará cuenta en seguida de que su lugar principal de trabajo no es un edüicio atestado de anaqueles con frascos y aparatos. En vez de ello, habrá de trabajar al aire libre, pues el laboratorio del geólogo está formado por los escarpados riscos de los picos montañosos, por las paredes de los canones profundos y por las la­ deras de las cordilleras desérticas. Tendrá que gastar parte de su período for­ mativo en realizar caminatas y ascensiones obstinadas por las zonas monta­ ñosas, quizá lejos de la civilización, donde levantará mapas de las rocas y de sus disposiciones texturales y recogerá otros datos geológicos. Este trabajo sobre el terreno es esencial en la formación del geólogo.
Para lograrla se le abren infinidad de oportunidades: puede trabajar para una compañia petrolífera, viajando por todo el mundo en busca <le nuevos cam­ pos; puede dirigir alguna exploración cuya finalidad sea el hallazgo de nuevas masas minerales en una mina; puede hacerse cargo de la responsabilidad que signi-
Sección 1-3: EL ESTUDIO DE LA GEOLOGIA 5
fica estimar con precisión las reservas minerales del subsuelo en una pertenencia minera, o la cantidad de petróleo que es posible recuperar en un campo parcialM mente explotado, y puede, por último, si se le consulta, decidir entre varias minas o canteras pequeñas cuáles ofrecen las mejoras oportunidades para invertir dinero en ellas y explotarlas.
También puede, como funcionario de una provincia o estado, levantar mapas de yacimientos minerales o petrológicos, investigar su presencia y los suminis­ tros de aguas subterráneas, estudiar los problemas relacionados con su conser­ vación-tales como la erosión del suelo y el agotamiento del mineral-, o bien clasificar Jos terrenos públicos según los minerales, suelos, aguas y otros recursos naturales que encierren.
Otra ocupación del geólogo consiste en ensei'iar en una escuela o facultad uni­ versitaria a otros geólogos del mañana, y al mismo tiempo ocuparse de realizar investigaciones básicas, con la finalidad de descubrir nuevas leyes o de uniformar o coordinar otras ya conocidas. El United States Geological Survey ofrece opor­ tunidades análogas, que también están abiertas a los geólogos en otros orga­ nismos estatales y nacionales, en ciertos institutos de investigación y en los la­ boratorios industriales.
En tiempo de guerra, los geólogos están en condiciones de suministrar datos auténticos sobre problemas fundamentales, al descubrir nuevas fuentes de mi­ nerales cuyas reservas sean críticamente escasas; de ayudar en la explotación de los mismos y de escoger blancos en territorio enemigo, cuya demolición pueda hacer derrumbarse alguna industria vital de la nación con que se lucha. Puede intervenir en las conferencias de paz y aconsejar sobre los recursos minerales de distintas naciones y sobre la consecuente potencia industrial.
Hay también para los geólogos oportunidades de índole comercial, ya que sus conocimientos son utilizables para llevar a buen término la explotación de una fábrica de cemento, las operaciones en una cantera~ en un ladrillar o en un depósito de arena y grava, o para aconsejar en cualquier proyecto de construc­ ción técnica que implique desplazar tierra y roca.
Cualquiera que sea el camino que siga el geólogo, es casi seguro que le obligue a realizar frecuentes viajes, pues el campo de sus investigaciones está integrado por la totalidad del planeta.
CAPITULO 11 MINERALES Y MATERIA
La corteza terrestre no es homogénea; generalmente, cuando paseamos por el campo, encontramos gran variedad de rocas y suelos düerentes en color, co­ herencia, densidad y otras características. Si recogemos un fragmento de roca o un puñado de tierra y los examinamos detenidamente, nos encontraremos con que son, a su vez, mezclas de diferentes sustancias (Fig. 2-1). No son mezclas, sin embargo, las distintas partículas o granos que integran las rocas y los suelos. Cada uno de ellos es una sustancia homogénea y determinada con propiedades químicas y caracteristicas físicas bien definidas. Algunos son duros y transparen­ tes, parecidos a trozos de vidrio; otros son granulaciones mates de tierra, y algunos son láminas finisimas, diminutas y elásticas, que brillan intensamente al sol.
cuarzo
Fio. 2-1.-Minerales constituyentes del granito común. Nótese que el mineral magnetita sólo es visl.ble cuando el aumento es muy grande (a la derecha).
Cada una de estas sustancias homogéneas y distintas constituye un mineral. Las rocas y los suelos son, pues, agregados de minerales.1' De ahí que, si queremos llegar a entender el origen y la clasificación de las rocas, debamos primero apren­ der algo sobre los diferentes minerales que las componen.
6
Secélón 2-2: FORMA Y ESTRUCTURA DE ·LOS CRISTALES 7
2-1. Definición de mineral.-Si queremos aprender a reconocer los düerentes 'minerales y a discriminar unos de otros, hemos de definir con precisión 11u ver­ dadera naturaleza: un mineral es una sustancia que se encuentra en la Tierra, con cierta estructura interna caracteristica, determinada por una disposición regular de los átomos o de los iones en su seno, y cuya composición quimica y propiedades físicas son fijas o varían entre limites definidos.
Los minerales son, pues, sustancias naturales que existen ya como tales en la Naturaleza, y no lo son, en cambio, los productos sintéticos obtenidos en los laboratorios. Cuando un farmacéutico afirma que un preparado es «rico en vita­ minas y minerales& utiliza el término mineraJ en un sentido completamente dis­ tinto del que le da el geólogo: no prescribe una dieta de barro y rocas; ni se trata tampoco de un geólogo profesionalmente interesado en píldoras vita­ minicas.
Decir que los minerales tienen propiedades quimicas y fisicas definidas, o que varían entre ciertos límites perfectamente fijados, es indicar sencillamente que todas las partículas de una sola especie mineral son semejantes en sus carac­ teres físicos y químicos, aunque una de las partfculas proceda del Brasil y otra de los Estados Unidos, y aunque una de ellas haya cristalizado en la concha de un caracol y la otra en el terreno regado por el agua de un manantial serrano.
La característica que mejor define a un mineral es su estructura interna, fundamento de nuestra definición. El aire, el gas ordinario y el agua son sus­ tancias que se encuentran en estado natural y que poseen propiedades quimicas y físicas c;laramente definidas; pero no son minerales, porque los átomos y los iones en tales flúidos están más o menos dispuestos al azar. La madera y el carbón de huUa no son tampoco minerales; la disposición regular del grano en la madera o la estratificación en un lecho de carbón no pueden compararse en modo alguno con la precisa organización geométrica que agrupa a los átomos y a los iones y que da lugar a la caracteristica estructura interior de Yos minerales. Para enten­ der bien lo que queremos significar por estructura interna, y para conocer en consecuencia la verdadera naturaleza de los minerales, es necesario recapitular primero nuestros conocimientos acerca de la forma exterior de los cristales y hacer luego un breve resumen de algunos de los descubrimientos hechos por físicos y químicos sobre la estructura y propiedades fundamentales de la materia.
2-2. Foi'Dla y estructura de los cristales. Forma geométrica.- Todo el mundo está familiarizado con los cristales de ciertos tninerales; p. ej., con los de gra­ nate, cuarzo--llamado también cristal de roca-y hielo, pues por extraño que parezca, el hielo es también un mineral.· Algunos cristales se presentan en. formas geométricas de relevante regularidad y limitadas por superficies planas, las lla­ madas caras cristalinas (Fig. 2-2), aunque cristales tan perfectamente consti:.. tuidos son más bien raros. Casi todos los copos de nieve caen como bellos y per­ fectos cristales hexagonales (Fig. 13-2), mientras que el hielo depositado en el vidrio de una ventana está constituido por cristales mucho peor formados, y
8 Cap. II: MINERALES Y MATERIA
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Fxo. 2-2.-l\Hneral~ comunes bien cristalizados: a) epldota; b) feldespato pota~1co; e) granate; d) pirita. (Fotos de ALexaoder Tihonravo ... )
los gránulos de hielo que se originan en la superfície de un estanque helado mltes­ tran pocas caras cristalinas, si es que presentan algunas. Son relativamente escasos los minerales que forman cristales liinitados del todo por caras planas, y los hay que incluso no presentan ninguna. Sin embargo, el estudio de los cristales imper­ fectos que existen de ordinario, a la par que el de los mejor formados, relativa­ mente raros, permitió a los mineralogistas, nombre que se aplica a los geólqgos especialistas en minerales, obtener deducciones bien fundadas sobre su estructura interna mucho antes de que físicos y químicos probaran que toda la materia está constituida por átomos.
Constancia de los ángulos diedros.-El primer paso importante en el análisis de los minerales, a part ir de las caras cristalinas, lo dio Nicolaus Steno (1631- 1687), médico danés que vivió en Florencia. Steno, una de las figuras sobresa­ lientes de la historia de la geología, demostró, con los rudimentarios instrumentos
Sección 2-2: FORMA Y ESTRUCTURA DE LOS CRISTALES 9
a su disposición, que dos caras determinadas en distintos ejemplares de cuarzo se cortan siempre fonnando el mismo ángulo diedro, independiente del tamaño y de la forma de los cristales. Un investigador italiano, Guglielmini, probó en 1688 y 1705 que esto se cumple también para otros minerales, y, además, que los ángulos característicos de una especie mineral son distintos de los de cualquier otra. En la balita o sal común, p. ej., el ángulo formado por dos caras contiguas es siempre recto (Fig. 2-6), lo que quiere decir que el cristal es un cubo o bien una figura semejante a una caja rectangular. En el cuarzo, como ya lo había observado el propio Steno, los ángulos formados por las largas caras laterales del cristal son siempre de 120o.
Los. métodos utilizados por Steno y Guglielmini se perfeccionaron y ampliaron por obra de otros científicos postedores. Largo tiempo ha que los mineralogistas dedujeron que la estructura interna de cada espede mineral es única, y llegaron a esta conclusión analizando miles de mediciones realizadas sobre muchas clases de cristales. Su razonamiento se basó en que la constancia de los ángulos diedros en diferentes ejemplares de una misma especie mineral, fuese cual fuere la forma y tamaño de los cristales, solo podía explicarse admitiendo que todos los mi­ nerales están constituidos por partículas diminutas agrupadas regularmente con arreglo a un esquema geomét rico definido. Este esquema es el que impone los ángulos que forman cada dos caras determinadas, y es idéntico en todos los ejem­ plares de una especie mineral dada. El tamaño del ejemplar depende meramente del ním1ero de tales partículas que contiene.
Propiedades óplicas.-Otros estudios mineralógicos hechos de~de un punto dt:. vista diferente reforzaron dicha conclusión. Entre los má~ importantes deben citarse los efectos que los cristales produce11 sobre la luz que los atra­ viesa. El físico holandés Christian Huygens (1629-1695) descubrió la doble refracción (Pig. 2-3) al estudiar el mi­ neral llamado calcita. Resulta fácil aprec1ar el fenómeno colocando un trozo de calcita transparente (espato de Islandia) sobre un punto marcado en una hoja de papel y mirando a su través: en vez de un punto se ven dos. Si se hace girar lentamente el trozo de calcita se observa cómo uno de ellos da vueltas alrededor del otro.
FJG. 2-3.-Trozo de calcita transparente (es­ pato de Islandia) mostr udo la doble
refracción.
Transcurridos más de cíen años, los físicos demostraron que este hecho podía explicarse fundándose en una teoría de la luz. De acuerdo con esta, todo rayo que penetra en detenninada clase de cristal se desdobla en dos que se separan ligeramente uno de otro, cada vez más a medida que avanzan a través del cuerpo.
Este descubrimiento abrió paso a una nueva e importante técnica para el
10 Cap. Il: MINERALES Y MATERIA
estudio e identificación de los minerales. William Nicol, que enseñaba filosofía natural en Edimburgo (hoy diríamos física), demostró en 1829 que era posible eliminar uno de los dos rayos sin más que cortar de cierto modo el cristal trans­ parente de calcita, pegando luego otra vez los dos trozos. Otros investigadores adaptaron t-stos prismas de Nicol al microscopio, haciendo asi posible el estudio de los efectos que producen los cristales en la luz que los atraviesa. El examen de tales efectos está fuera de los limites impuestos a este libro; pero si debe insis­ tirse en que las propiedades ópticas de los minerales establecidas con el micros­ copio petrográf1co, microscopio equipado con dos prismas de Nicol, son suma­ mente precisas y de gran valor para el diagnóstico. Con él pueden identificarse con rapidez casi todas las especies minerales, y de aquí que sea el instrumento más útil al geólogo para el estudio tanto de ellas como de las rocas.
En relación con lo que ahora tratamos es de mayor importancia todavía el hecho de que el microscopio petrográfíco nos suministre también un modo de llegar a la naturaleza fundamental de la materia y de la luz. El comportamiento de esta última en los minerales se relaciona sistemáticamente con los ángulos diedros que forman las caras de los cristales, Ello sugiere que en la luz influyen las pequeñísimas partículas regularmente dispuestas en el seno del cristal, y refuerza la conclusión, deducida de la constancia de los diedros, de que los mi­ nerales están constituidos por partículas submicroscópicas agrupadas ordenada­ mente.
2-3. La teoria at6mica.-En 1805, el quimico inglés John Dalton lanzó la hipótesis de que toda la materia está compuesta de diminutas particulas, a las que denominó átomos. Dalton concibió esta i~ea para explicar ciertas relaciones ya observadas entre los pesos deJas sustancias que intervienen en las reacciones químicas; conclusión a la que también habían llegado los mineralogistas por un camino enteramente distinto, a partir de sus estudios sobre la forma externa y las propiedades ópticas. Trabajos post'eriores, tanto en física y química como en mineralogía, han comprobado por completo la teoría atómica. Entre las pruebas más interesantes y decisivas de ella están las deducidas de los estudios de mi­ nerales con rayos X. Antes de abordarlas, pasaremos breve revista a algunas de las cosas que físicos y químicos han averiguado acerca de los átomos.
Son los átomos partículas extremadamente diminutas: si un trozo cristalino del tamaño de una nuez se agrandase hasta hacerse igual a la Tierra, los átomos .componentes tendrían por término medio las dimensiones de pelotas de beisbol; cien millones de átomos puestos en contacto uno tras otro cubrirían una lon­ gitud de unos 25 mm. A pesar de ello y gracias a sus ingeniosos experimentos y a sus investigaciones teóricas, físicos y quimicos han podido demostrar que el átomo, con ser tan pequeño, está constituido por partículas aún menores, de las cuales solo tres tienen interés en cuanto al comportamiento quimico de los minerales: el protón, el neutrón y el electrón. '
Parliculas subatómícas.~Difieren unas de otras en muchos aspectos. Las
SeccJón 2-3: LA TEORIA ATOMICA 11
propiedades eléctricas, p. ej., son distintas en las tres: el electrón lleva una carga;. determinada de electricidad negativa, cuyo valor se ha elegido como unidad de carga eléctrica o cantidad de electricidad; la del protón es positiva y del mismo valor exactamente que la del electrón, y el neutrón es, como indica su nombre, eléctricamente neutro. Pese a estas diferencias, todas ellas tienen el mismo diá­ metro aproximado, igual a algunas billonésimas de centímetro. Su masa es, sin embargo, muy diferente: la del protón es 1845 veces la del electrón, y la del neutrón es ligeramente inferior a las masas reunidas de las otras dos partículas. Los corpúsculos subatómicos del mismo nombre son siempre idénticos, ya for~ men parte de un átomo de oxigeno o de uno de hierro o de azufre. En todo átomo, las distintas partículas integrantes están siempre en número tal que ltacen eléc~ tricamente neutro al conjunto; es decir, que existe igual número de protones que de electrones.
Estructura del átomo.--Consta de un núcleo pequeño y denso formado por uno o más protones y (excepto en el átomo más sencillo de todos, el del hidró­ geno) de uno o más nt-utrones. Este núcleo constituye más del 99,9 %de la masa del átomo; pero solo una billonésima de su volumen, de donde se deduce que todo el resto de aquel es principalmente espacio vacío. Un elemento es una sus· tancia constituida por átomos de una sola clase; o, dicho de otro modo, los núcleos de todos Jos átomos de un elemento determinado tienen la misma carga eléctrica. El comportamiento químico de los átomos depende de sus electrones, los cuales giran alrededor del núcleo ocupando capas o envolturas concéntricas. El hidró­ geno, el más sencillo de los elementos, consta de un solo protón alrededor del cual gira un electrón. El elemento siguiente en sencillez, el helio, posee un núcleo
FJG. 2-4.-Dibujos esquemáticos de los átomos de hidrógeno y belio.
Cap. ll: MINERALES Y MATERIA
FIG. 2-5.- Esquema del aparato utilizado para obtener una imagen por difracción. El cristal es de calcita.
con dos protones y dos neutrones, a cuyo alrededor circulan también dos elec­ trones (Fig. 2-4). Los átomos más complejos, con núcleos mayores, conservan todos esta capa interna bielectrónica, pero poseen además otros electrones si­ tuados en una o más capas exteriores. Las características químicas de un elemento parecen depender enteramente del número de cargas eléctricas positivas de su núcleo; es decir, del número de protones que lo forman. Este n(unero recibe el nombre de número atómico del elemento. En la Naturaleza se han encontrado alrededor de noventa elementos y los científieos han logrado obtener artificial­ mente unos pocos más.
A cada elemento s~le ha asignado un símbolo determinado; p. ej ., H para el hidrógeno, Pb para el plomo (del nombre latino plumbum). Se trata meramente de una abreviatura que los científicos utilizan para escribir las fórmulas y ecua­ ciones químicas. En el Apéndice IV, tabla 1, aparece la relación de los elementos químicos con sus símbolos, números y masas atómicas.
Por alguna razón, los elementos más estables químicamente son aquellos cuya capa externa conlime ocho electrones. Tales elementos (p. ej ., argón, neón y xenón) ·nunc::J se combinan entre sí ni con los demás elementos, y de aquí que . e los de­ nomine gases inertes. El helio, que solo tiene dos electrones, también pertenece al mismo grupo.
Los átomos con menos de ocho electrones en su capa exterior son capaces de combinanc con otros. Los más activos químicamente son los que poseen uno o siete electrones externos. El sodio (Na), p. ej., tiene ocho electrones en la penúl­ tima capa, pero solo uno en la exterior, mjentras que el cloro (CI) tic.ne siete; el sodio debe, pues, perder uno, y el cloro ganarlo, para alcanzar el número es­ table de ocho. Esto es exactamente lo que sucede cuando ambos elemento!> se
Sección 2-4: ESTUDIO DE LOS CRISTALES CON RAYOS X 13
combinan para fonnar el compuesto quimico cloruro de sodio o sal común (NaCl); el electrón solitario de la capa externa del átomo de sodio pasa a la del átomo de cloro. Ahora bien: la pérdida de este electrón hace que el átomo de sodio deje de ser eléctricamente neutro, ya que el número de sus protones nucleares supera en uno al de sus electrones corticales y tiene, por tanto, una carga positiva de más. De igual modo, el átomo de cloro, que ha ganado un electrón, adquiere un exceso de carga negativa no eqttilibrada igual a uno, puesto que posee en su corteza un electrón más que protones tiene en el núcleo. Un átomo asi car­ gado, cuyo número de protones es mayor o menor que el de electrones, recibe el nombre de ion. Debido al hecho de que cargas de distinto signo se atraen y del mismo signo se repelen, el catión de sodio (ion positivo) es atraído por el anión de cloro (negatjvo), siempre que pueda moverse libremente, como sucede en los gases o en las disoluciones, y ambos iones se reúnen para formar una mo­ lécula de cloruro sódico, con propiedades muy distintas de las de cualquiera de los dos elementos componentes. Las moléculas son, pues, grupos definidos de dos o más átomos fuertemente unidos entre sil.
2-4. Estudio de !os cristales con rayos X .-En 1912 se tuvo la prueba con­ cluyente de la teoría atómica de Dalton y , simultáneamente, de que los cris­ tales están formados por átomos dispuestos en un retículo geométrico. Aquel año, l\.fax von Laue, físico especializado en fotologia, emitió la hipótesis de que los rayos X se comportan como ondas. Cuando se t razan sobre la superficie de un espejo serie~ de estrias paralelas sumamente próximas, la luz reflejada en él aparece descompuesta en los colores del es;-ectro. Laue razonó que si los rayos X fuesen de igual naturaleza que la luz, pero de longitud de onda mucho menor, y que si, al mismo tiempo, los cristales estuviesen realmente formados por átomos dispuestos geométricamente según planos paralelos, la superficie de un cristal podría actuar sobre los rayos X de un modo muy pareddo a como Jo hace la superficie reLiculada de un espejo sobre la luz ordinaria.
Para verificar esta idea, dos jóvenes estudiantes de l\-1unich, W. Friedrich y P. Knipping, colocaron un cristal d.e sulfato de cobre en un aparato muy pare­ cido al de la figura 2-5, lo bombardearon con rayos X y obtuvieron asi el primer lauediagrama. La repetición del experimento y nuevas pruebas complementarias con otros minerales proporcionaron la demostración concluyente de que la estruc­ tura cristalina se basa en modelos determinados de distribución, y confirmaron de paso la opinión de Laue sobre las propiedades ondulatorias de los rayos X. Las experiencias probaron también más allá de toda duda lo que ya los mineralogis­ tas habían inferido, a saber: que la estructura inlerna de los cristales solo puede explicarse a base de una ordenación regular de sus partículas submicroscópicas. Se había descubjerto asi un nuevo instrumento de aplicaciones varias para es­ tudiar Jos minerales, pues los métodos rontgenográficos permiten deducir la
1 Más adelante se analizan los casos en que hay o no rormación de auténticas moléculas.
14 Cap. 11: MINERALES Y MATERIA
disposición geométrica de los átomos en el seno de los cristales, es decir, su estruc­ tura interna. Se convirtió en una de las técnicas más útiles de diagnóstico minera­ lógico para el reconocimiento de las diferentes especies, ya que puede aplicarse a gránulos tan pequeños que apenas son visibles con el microscopio.
Estructura interna de los cristales.-Las investigaciones realizadas con los rayos X muestran que, p. ej ., los cristales de halita (NaCI) tienen la estructura indicada en la figura 2-6. Hemos visto ya que cuando el electrón solitario que hay en la capa externa del átomo de sodio pasa a la casi completa capa exterior del de cloro, cada uno de los dos átomos adquiere la organización estable corres­ pondiente a los que poseen ocho electrones externos. Los átomos logran tal orga­ nización estable sacrificando su neutralidad eléctrica y adquiriendo una carga, es decir, convirtiéndose en iones. En un líquido o en un gas, los cationes de sodio y los aniones de cloro se pueden reunir para formar una molécula; pero en un cristal, el apretado empaquetamiento de las partículas exige una ordenación geométrica fija de los iones. Ahora bien: en tal disposición, las fuerzas electros­ táticas de atracción entre iones de signo opuesto y las de repulsión ent re los del mismo signo han de equilibrarse de modo algo diferente. La figura 2-6 muestra cómo se realiza esto en la balita o sal común: cada uno de los cationes de sodio está situado en el centro de un grupo de seis aniones de cloro simétricamente dispuestos, y equidista de los seis. De igual modo, cada anión de cloro aparece rodeado por seis de sodio agrupados con idéntica simetría. La mayoria de los minerales conserva su edificio cristalino gracias a enlaces iónicos similares a los explicados, aunque, en general, su estructura interna es mucho más compleja y no tan fácil de comprender como la de la sal común.
Algunos miner.ales, el diamante, p. ej., mantienen su est ructura gracias a que los átomos integrantes del éristal comparten algunos de sus electrones. EI diamante está constituido exclusivamente por carbono, pues es una de las formas cristalinas dé este elem(mto. Los átomos de carbono poseen cuatro electrones
FtG. 2-6.-C'rlstal cúbico (a la derecha) y estructura interna de la sal común () balita. El diagrama reticular (a la izquierda) muestra las posiciones relativas de los núcleos de Na y Cl. La forma de agruparse los tones est á rt.>presentada en
el centro. (Foto de la Smithsonian Instltutlon.)
Sección 2-4: ESTUDIO DE LOS CRISTALES CON R.A YOS X 15. ------------------------------------------------------·------- externos, y en los cristales de diamante (Fig. 2-7) todo átomo enlaza con otro3 cuatro. La esencia de estos enla~es consiste en que cada uno de los cuatro ele~ trones externos de un átomo está compartido entre este y cada uno de los cuatro que lo rodean. AsÍ adquieren estabilidad los átomos de carbono en el diamante. pues todos vienen a contar con ocho electrones en su capa exterior, aunque cual­ quiera de estos esté realmente compartido entre el átomo en cuestión y uno de los contiguos a él. En cuanto a la estructura atómica se refiere, cabe considerar cada electrón formando a la vez parte de las capas externas de dos átomos ve• cinos de carbono.
Tan estrecha unión entre los átomos de carbono del diamante comuníca a este mineral una gran cohesión, y de aqui que sea la más dura de las sustancias
1
naturales conocidas. En este tipo de cristales no existen los iones, y los átomos conservan su neutralidad electrostática compartiendo electrones.
El diamante y el grafito (Fig. 2-7) llustran con suma claridad el hecho da que la diferencia fundamental entre unos y otros minerales no reside en su com­ posición química, sino en su estructura interna. En este caso ambas sustancias están formadas por carbono puro: su composición química es idéntica, pero los cristales que resultan tienen estructuras íntimas diferentes (Fig. 2-7). El diamante
diamante
grafito
F1o. 2-7.-Formas cristalinas y estructuras Internas del diamante y del gra­ fito. Se comprende que la dlsposletón de sus átomos en capas es la que da al
gra!lto su facilldad de extonactón.
16 ('.ap. IY. l'.HNERALE~ Y MATERIA
es la sustancia natural más dura, el grafito es blando y untuoso; la mayor parte de los diamantes son transparente$, los ejemplares de grafito son opacos; el dia­ mante se usa como abrasivo e instrumento para cortar, el grafito como Iubri~ cante debido a que se exfolia en finas y minúsculas laminillas que deslizan unas sobre otras.
Pese a su brevedad, este examen sobre la estructura interna de la minerales basta para poner de manifiesto que el concepto quimico de molécula, aunque adecuado en el caso de líquidos y gases, falla cuando se intenta aplicar a la mayor parte de los minerales sólidos. Tanto en los cristales cuya estructura se mantiene por intercambio de electrones (la halita). como en los que los comparten (el diamante), no existe porción alguna del cristal que quepa considerar como una molécula individual. En vez de ello, átomos y iones se comportan como si fuesen esferas sólidas de distintos tamaños, empaquetadas para formar un modelo geomé· trico, del mismo modo que podriamos haC'..er una mezcla de toronjas, naranjas y mandarinas para formar una macedonia de frutas.
Los radios iónicos.- Como hemos visto en la halita, cada ion de un cristal está rodeado por otros de carga opuesta. El número de los últimos capaces de agruparse alrededor del primero se debe en parte a las cargas de los distintos iones, pero es el tamaño de éstos el factor decisivo en la determinación de dicho número.
En general, el volumen de un átomo depende del número de capas electrónicas que rodean al núcleo, y de la carga de este. Cuando un átomo se transforma en ion, perdiendo o ganando electrones, el equilibrio electrostático se altera, y lo mismo sucede con el radio del ion. Si, p. ej., el átomo pierde un electrón, trans· formándose en catión, el exceso de carga positiva del núcleo tira de los electrones que quedan y los acerca a él; si, por el contrario, ha habido ganancia de electro. nes, las capas que rodean al núcleo se separan y el radio aumenta. También pueden producirse alteradones d~ volumen durante la ionización en virtud de cambios en el número de capas electrónicas. El átomo de sodio, p. ej., posee tres capas, pero la externa consta de un solo electrón; si éste se pierde, el catión sódico re­ sultante queda solo con dos capas, de las cuales la exterior tiene la configuración estable debida a sus ocho electrones. Ahora bien: este ion es algo más pequeño que el átomo de neón, tan sumamente parecido a él por poseer las mismas dos capas electrónicas constituidas por números iguales de electrones: dos y ocho. La causa de ello rndica en que el catión sódico tiene en su núcleo un exceso de carga positiva que atrae a los electrones corticales y reduce sus dimensiones, comparadas éstas con las del átomo eléctricamente neutro del neón.
En la tabla 2-1 aparecen en unidades Ángstrom los radios atómicos y iónicos de los nueve elementos más abundantes en la corteza terrestre. Un angstrom (Á) es una cienmillonésima de centímetro (0,000 000 01 cm, ó to-s cm). El tamaño de los átomos y jones se mide determinando la distancia entre dos capas inme­ diatas formadas por ellos en un cristal, ya sea con auxilio de los rayos X o si~ guiendo otros métodos similares. Nótese que los aniones son considerablemente
Sección 2-4: ESTUDIO DE LOS CR.ISTALES CON RAYOS X 17
mayores que los correspondientes átomos neutros, y que. en cambio, los cationes son mucho menores. La abundancia de los elementos que aparecen en la tabla se ha d~terminado indirectamente haciendo millares de análisis químicos de los distintos grupos de rocas que componen la corteza terrestre, y luego, a partir de los mapas geológicos (Cap. VI), determinando las áreas ocupadas por ellas. De ambos datos se obtiene Ja abundancia relativa, en porcentaje, de los distintos elementos que integran la cortep terrestre. La tabla 2-1 muestra claramente la enorme importancia que para el estudio de los minerales tiene la investigación de las relaciones quimicas entre el oxigeno y el silicio, ya que ambos elementos constituyen alrededor del 75 % en peso de la corteza terrestre. La mayor parte
~ de los minerales frecuentes en ella son silicatos, formados al combinarse la silice -compuesta de oxigeno y silicio-con uno o más de los metales más abundantes: aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio.
Las n:•ludones volumétricas son todavía más impresionantes: tan grande es el anión de oxígeno (02-, 1,40 Á) que, pese a constituir este elemento el 47 % del peso de las rocas corticales, su volumen alcanza el 92 %· Resn!ta así que la cor­ teza sólida de la Tierra está formada casi ¡por un único elemento!, al que de ordi­ nario solo tenemos en cuenta como uno de los gases atmosféricos.
TABLA 2-1
1 -
en angstroms :er·restre Elemento
atómico Porc®taje Porcentaje A tomo Ion l'n peso en volumen
8 Oxígeno o 0,60 02- 1,40 • 46,60 91,9'i 14 Silicio Si 1,17 Si4f 0,42 27,72 0,80 13 Aluminio Al 1,43 AP+ 0,51 8,13 0,77 26 Hierro Fe 1,24 Fe u 0,74 5,00 0,68
Fes+ 0,64 20 Calcio Ca 1,96 Ca9+ 0,99 3,63 1,48 11 Sodio Na 1,86 Na+ 0,97 2,83 1,60 19 Potasio K 2,31 K+ 1,35 2,59 2,14 12 Magnesio Mg 1,60 Mga+ 0,66 2,09 0,56 22 Ti tanio Ti 1,46 Ti3+ 0,76 0,44 0,03
Ti4+ 0,6.8 !
REFERENCIA: Datos sobre abundancia, de Principies ot Geochemi.strg, de Brian Mason, Nueva York, John Wlley and Sons, 1952, p¡,_g. 42; los datos acerca de los radios atómicos y lónleos de la •Geochemical Table of the Elements for 1953•, de Jac:k Green, en el Geologicql Societg o! Amerioea Bull., voL 64 (1953). págs. 1001-1012.
Aunque se conocen más de dos mil especies diferentes de nünerales, la mayorfa de ellas son raras. Unas veinte, muy comunes, componen la casi totalidad de las rocas visibles, silicatos en su inmensa mayoría.
GJLt.ULY.-2
Cap. 11: MINERALES Y MATERIA
~. El tetraedro d&l sDicio.-El ion de silicio (Si4+) tiene un radio de 0,42 A; el de oxígeno (Q2-), de 1,4 A. En los silicatos se agrupan cuatro iones de oxigeno y uno de silicio para formar una figura piramidal conocida con el nombre de tetraedro sillcico (Fig. 2-8). En el diagrama reticular A de la figura, el núcleo del ion silicio se halla en el centro del tetraedro, y los de los iones de oxigeno ()cupan los cuatrc1 vértices. En B, donde los iones están dibujados a escala, puede apre.­ ciarse muy bien el tamaño mucho mayor de los de oxígeno. El tetraedro del silicio es a su vez un ion complejo, no un cristal ni una molécula, porque la agrupa~ión de cuatro iones de oxigeno, cada uno con dos cargas negativas, y uno del silicio, con cuatro positivas, da como resultado un ion tetraédrico con cuatro cargas negativas no neutralizadas. Para formar una unidad eléctricamente neutra en el
A B Vre. 2-S.-Tetraed.ro del silicio: A) diagrama reticular; B) empaquetamiento de los. Momos;
C) las figuras geométricas denominadas tetraedros.
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seno de un cristal seria preciso adicionar a este ion tetraédrico otros iones positivos que enla?..asen con él {p. ej., de magnesio (Mg2+) o de hierro (Fe2+)J, cual sucede en el mineral olivino (Fig. 2-10), o bien compartir los iones de oxigeno situados en Jos vértices del tetraedro, como sucede en el cuarzo (Apéndíce II, Fig. 11-2).
Dado que los minerales más comunes son los silicatos, y puesto que estos son combinaciones del ic¡n tetraédrico fundamental (Si04)4- con uno o más ele­ mentos adicionales, se comprende que el tetraedro del silicio sea la piedra sillar mas imporlante en la OJ'quileclura cortical terrestre. En los diferentes minerales, lo& tetraedros silícicos se enlazan unos con otros y con distintas clases de ca­ tiones, siguiendo disposiciones geométricas características. Una manera de clasi­ ik.ar los silicatos se basa en la clase del enlace: en el piroxeno corriente los te­ traedros están unidos sólidamente en largas cadenas (Fig. 2-9, a); en las micas forman láminas dobles (Fig. 2-9, b), y en los cristales de oli'Vino y monticelita, 6$C1Uematizados en la figura 2-10, constituyen una armazón que resulta de la t.mión de unos tetraedros con otros por intermedio de átomos de magnesio, hierro
. y calcio.
a
b F1o. 2-9.-Diagrama estructural en el que se muestra cómo los tetraedros del sil\cto pueden estar enlazados: a) en cadenas <-omo en los plroxenos, o b) en capas como en muchos mJneraJe1 de exfoliación mtcácea. En la mtca los tetraedros se agrupan formando capas dobles; el esquema
b) muestra solo una de ambas lAminas.
20 cap. I1: MlNERALlf.'S J' MATlf.'RlA
o 1 2 3 angstroms ...............
O iono=
Q ionca++
e ion $j++++
olivino" (Mg,FehSi04 monticelíte- MgCaSi04
FIG. 2-10.- 0iivino y monticebta. Se ve cómo la sustitución de Jos iones de hierro o de magnesio por los de calcio, más grandes, obliga a una expansión en la es­
tructura del cristal (según W. L. DJngg, 1928).
2-6. Variaciones en la composición química de los minerales.-Algunos mi" nerales, entre ellos el diamante (C), el azufre (S) y el oro (Au), son elementos. Otros, como el hielo (H20), el cuarzo (Si02), la calcita (CaCOs) y la caolinita (H4Al2Si2Ü9), son combinaciones cuya composición puede expresarse por fór­ mulas químicas sencJllas. Sin embargo, como ya se indicó en la definición de minerales, el porcentaje de los diversos elementos que estos contienen suel~ variar entre ciertos límites, con lo que su composición deja de ser representable por una fórmula. Una causa de tal variación es que determinados ele1nentos pueden sustituirse mutuamente.~:en el seno del cristal, provocando una marcada variación de las propiedades químicas dentro de una misma rspecie mineral. Tal susti-­ tución se denomina solución sólida, uno de cuyos ejemplos más sencillos lo da el grupo mineralógico del olivino. Su fórmula general, (Mg,Fe)2Si04, indica que los distintos ejemplares de olivino pueden tener composiciones químicas inter­ medias entre las de los dos términos extremos, es decir, que varían desde el Mg2Si04
puro, forsterita, hasta el Fe2Si04 también puro, fayaJita. La variación afecta solo a las cantidades de magnesio, Mg, y hierro, Fe; las de oxigeno y silicio per­ manecen constantes. Los miembros intermedios de la serie del olivino se consi­ deran como soluciones sólidas de los dos términos extremos, y debe hacerse hincapié en que tales miembros intermedios son cristale.s homogéneos y no meros agregados mixtos de dos cristales diferentes.
Las series constituidas por soluciones sólidas no pueden explicarse mediante el concepto de molécula aplicable a gases y líqtúdos, sino solo basándose en la estructura iónica, según vamos a ver a continuación.
El mecanismo de sustitución en las soluciones sólfdas.-La aplicación de los rayos X o de otros métodos análogos de investigación a los minerales ha reve-
S4:cd6n 2~7~ .MINERALOIDBS 21
lado gran parte del mecanismo mediante el cual un elemento sustituye a otro en U.H cristal. El factor más importante, entre los que controlan la disolución sólida, no es, como cabría pensar, el número de electrones que los átomos poseen en su capa más externa, sino su radio iónico. En el olivino, el Fe y el Mg pueden sustituirse mutua y fácilmente; no porque ambos tengan dos electrones exteriores, sino, sobre todo, porque sus radios iónicos son casi iguales.
En muchos grupos minerales, el sodio- con un electrón externo-puede sustituirse por el calcio- con dos-, debido a la casi identidad de sus radios iónicos (0,\}7 y 0,99 Á). En cambio no es tan frecuente la sustitución del sodio por el potasio, pese a tener ambos un electrón en su capa exterior, porque el ion potásieo t'S mucho mayot: (1,33 Á) que el de sodio. La importancia del radio iónico en las sustituciones destaca particularmentl' en este ejemplo, ya que el sodio y el potasio son muy similares en cuanto a propiedades químicas. En Jos cristales de feldespatos piagioclasas se da en realidad la su~titución de una pequeña can­ tidad de sodio por potasio (la estructura interna se deforma para adaptarse a la diferencia de los diáml.'tros iónicos); pero cuando la sustitución excede de cierta cantidad, Ja deformación resulta evidentemente excesiva para que se conserve la estabilidad, y el conjunto se separa en cristales entremezclados de dos mi­ nerales diferentes: feldespato potásico (ortosa) y un feldespato plagioclasa. La figura 2-10 muestra el resultado de sust ituir una mitad aproximada de los iones de magnt>sio o hierro del olivino por otros tantos de calcio; se origma así la estruc­ tura algo dif<·rente de la monticelita, mineral de composición química sumamente p róxuna a la del olivino.
Es obYio que un elementv cuyo átomo posea un solo electrón en su capa ex­ terna no puede sustituirse por otro con dos si.u destruir la neutralidad eléctrica dt" su estructura; es preciso, para que e~ta neutralidad se conserve, una segunda y sunultám·a sustitución; p. ej., En la& plagioclasas, seríe de soluciones sólidas. el pa!-.o de la albita pura, NaAISisOs, a la anortita pura~ CaAl2Si20s, tiene lugar mediante la sustitución sim1Iltánea del sodio (con un electrón) y del silicio (con cuatro) por el calcio (con dos) y el aluminio (con tres). La neutralidad química se conserva, puesto que 3 + 2 = 4 + l. El diámetro del. ion sodio es casi igual al del calcio, y el del aluminio es tan próximo al del silicio (tabla 2-1) que los caml.1ios internos produc1dos por la sustitución no deforman la estructura interna e u grado sufide.nt(' para p1 ovocar la separación. Estos ligeros cambios de estruc­ tura y composición son, empero, lo bastante grandes para producir variaciones m~dihtes en las propiedades ópticas que presentan los cristales de plagioclasas de compo.,i<:ión clift-rcnLe.
2-7. Mineraloides.- Algunas sustancias naturales que no cumplen todas las <·ondiciones dadas en la definición de mineraJes se agrupan comúnmente bajo el nombre de mineraloides. El más corriente de todos ellos es quizá el ópalo, consti­ tuyente común de las rocas, pero de estado amorfo, esto es, no cristalino y, por tanto, carente de estructura interna ordenada.
22 Cap. 11: MINERALES Y MATERIA.
2-8. lclentificaoi6n de minerales.-De los dos millares largos de minerales reconocidos y descritos, solo unos veinte son constituyentes abundantes de la corteza terrestre. La mayoria de estos puede identificarse con facilidad a simple vista por cualquiera que se preocupe de observar cuidadosamente sus propiedades físicas ordinarias. En el Apéndice 11, que debe estudiarse conjuntamente con este capitulo, se describen los métodos utilizados para la identificación de mi­ nerales, y en él se da una relación con las propiedades de los veinticinco más comunes, asi como de otros doce dignos de estudio por su importancia econó~ica.
CUESTIONES (Basadas en parte en el Apéndice 1)
2·1. ¿Cuál es la diferencia esencial entre un mineral y un animal? ¿Y entre un mineral y una roca 't ¿Y entre un mlner.tl y un ele· mento qu!mico?
2·2. ¿Qué es lo que determina la forma geométrica exterior de los cristales? Expliquese por qué sabemos que es asl.
2-3. ¿Por qué es más útil, en la identifi­ cación de minerales, e.l microscopio petrográ­ fico que los métodos ana.IIUcos utilizados por los qufmicos?
2-4. Nómbrense tres partículas subatómlcas y descrfbanse brevemente sus principales ca­ racterfstlcas.
2-5. Expónganse las caracterfstlcas que dis­ tinguen a las slguie!ltes formas de materia.: elementos, isótopos, iones y átomos.
2-6. ¿Cuál es la diferenc.It básica entre un
cristal y una molécula? ¿Por qué no se puede aplicar a la mayor parte de los minerales la Idea de molécula?
2-7. ¿Qué factores regulan la sustitución de un elemento por otro en una serie mlnera.l de disoluciÓn sólida?
2-8. Expliquese la razón de que las diferen­ cias estructurales Internas entre el diamante y el grafito sean causa de sus dHerentes pro· piedades fisicas: exfoliación, dureza, peso es­ pecífico, etc.
2-9. ¿Por qué está determinado el peso espe­ cífico del cuarzo (2,65), mientras que es va­ riable el de los plroxenos (de 3,2 a 3,6)?
2-to. Suglérase una razón por la que la raya de un mineral sea con frecuencia más carac­ terfstica que el color de un gran trozo del mismo.
LECTURAS REOOMENDADAS
BRAGO, W. L.: The .Alomic Structure of Mínt­ rals. Itbaca, N. Y., Comell UnJverslty Press. 1937.
ENOLISH, G. L.: Gettlng Acqualnted with Mí· nerals. Nueva York, McGraw-Hill, 1934.
MAsoN, Brian: Principie& of Geocmm&lrfl. Nueva York, Jobn Wlley and Sons, 1952.
TUTToN, A. E. H.: The Natural Hl1tory of Cry1tals. Nueva York, N. Y., E. P. Dutton, 1924.
CAPITULO 111 EL ARCHIVO DE LAS ROCAS
Las rocas están por doquier: en los picachos de las montañas, en las paredes de los acantilados, en las orillas de las impetuosas corrientes de agua. Incluso donde el suelo cubre por completo la superficie terrestre, las zanjas abiertas para las carreteras y las perforaciones de los pozos revelan debajo la roca sólida. Se pueden definir como agregados de minerales, y las amplias variaciones de aspecto y· propiedades fisicas que presentan dependen de la clase y cantidad de los minerales en ellas contenidos, y de cómo los granos de estos se agrupan y unen. Pero nosotros podemos saber mucho más de las rocas que los nombres de los minerales integrantes. Hasta ahora hemos estudiado estos enfocando nues­ tro interés sobre su composición química y propiedades físicas. Si fuese esto todo lo que 'deseásemos conocer, ni la mineralogla. o ciencia de los minerales, ni la lüologla, o ciencia de las rocas, serían otra cosa que el estudio químico y fisico de los materiales que integran la corteza terrestre. Pero el principal interés que las rocas tienen para el geólogo es el hecho de que constituyen un archivo revela­ dor de las condiciones físicas del ambiente que imperaban en el momento en que los minerales se agregaron para constituirlas: im¡tresas en la mayoría de las rocas hay, en efecto, señales que nos hablan de las condiciones bajo las cuales se formaron. Con frecuencia también, la lectura de ese registro se convierte en una exploración fascinadora de la historia de la Tierra, ya que muchos acon­ tecimientos posteriores a la formación de la roca han dejado allí sus huellas. Al geólogo no le interesan solo las mediciones físicas y químicas; es también un detective que huronea el rastro y reúne testimonios, en apariencia dispersos, hasta elaborar un cuadro lógico de los acontecimientos pasados.
En este capitulo se esbozan algunos de los métodos que los geólogos utilizan para reconstruir el pretérito geológico a partir de los registros hallados en las rocas. Volviendo a las afirmaciones hechas en el capitulo primero: ¿qué testi­ monios existen de que el lugar donde hoy se asienta Glasgow no tuvo siempre el clima severo y húmedo actual, sino que, por el contrario, lució en otro tiempo bajo el brillante sol del desierto?, ¿o de que las frias llanuras de Alberta estu­ vieran otrora recubiertas por un mar tropical somero como el que baña en la actualidad el nordeste de Australia? Para sentar los fundamentos que nos per­ mitan responder a estas cuestiones vamos a establecer una de las grandes leyes
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24 Cap. III: EL ARCHIVO DE LAS ROCAS
de la geología, el llamado principio de las causas actuales, que fue el primero en introducir la dimensión del tiempo en el estudio de la Tierra.
3-1. «El pl'eSente es la clave del pasado».-La geología, al igual que todas las ciencias, sistematiza los datos recogidos por la observación y la experimen· tación en cierto número de amp1ias leyes, cuya validez debe ser objeto de critica por parte de los investigadores.
El principio de las causas actuales fue propuesto en 1785 por James Hntton, de Edimburgo, y popularizado en un texto por el geólogo inglés Charles Lyell, en 1830. Este principio de «uniformidad en el orden de Ja Naturaleza• puede enunciarse como sigue: el presente es la clave del pasado, o, aplicado más especí­ ficamente a nuestro actual problema: las rocas formadas tiempo ha en la super­ ficie terrestre pueden conocerse y explicarse de acuerdo con los procesos que tienen lugar actualmente.
El principio de las causas actuales supone que las leyes físicas hoy imperantes lo han sido siempre a lo largo del pasado geológico. Admite, p. ej., que en este pasado, al igual que hoy, las aguas se reunieron fonnando corrientes y trans­ portaron cargas de lodo y cieno hasta el mar; que hubo también, probablemente, organismos que vivieron y murieron en los antiguos mares, cuyas conchas y caparazones quedaron enterrados en el barro y en las arenas acumuladas sobre los fondos marinos. El registro de estos hechos pasados puede hallarse en rocas compactas, muchas de las cuales presentan rasgos idénticos a los de las que hoy vemos formarse.
El principio de las causas actuales, como cualquier otra ley cit>ntifica, se con­ sidera válido porque todos los hechos conocidos encajan en él. Los estudios geoló­ gicos a lo largo de muchas generaciones no han podido hallar jamás testimonio alguno de que las condiciones del pasado hayan sido diferentes de las actuales; pero, también como la rrfayoria de las leyes científicas, debe interpretarse con sumo cuidado y en un sentido más bien amplio. Al aplicar el principio de que el pre­ sente es la clave del pasado no debemos olvidar que, si bien existen datos para creer que los procesos geológicos se han producido siempre del mismo modo, no podemos asegurar que se hayan verificado en todo momento con la inten­ sidad o el ritmo presentes. De datos que se verán en el capitulo XIII, deducimos que hace unos 15 000 aiios el clima era más frío y los glaciares mucho más ex­ tensos que ahora; pero tenemos toda clase de razones para suponer que aquellos glaciares se formaban, se desplazaban, erosionaban y sedimentaban exactamente como lo hacen boy.
No es fácil juzgar la rapidez con que se produjeron Jos fenómenos en tiempos geológicos pasados. Para los geólogos que observaron por vez primera rocas de arenas y barros compactados, depositados por antiguos cursos de agua y por anti­ guos mares, su enorme espesor pareció exigir agentes de sedimentación muchisimo más poderosos que los que vemos actuando hoy. Pero un proceso lento puede lograr en millones de años lo que otro rápido podria hacer en un tiempo mucho
Sección 3-2: LAS ROCAS SEDIMENTARIAS 25
más corto. Hoy sabemos, por investigaciones de diversos tipos, que el archivo geológico abarca más de 2000 millones de años (Cap. VII), y que el enorme es­ pesor de los sedimentos no tiene que explicarse necesariamente como conse­ cuencia de catastróficas inundaciones o crecidas, sino como el resultado inevi­ table de la acción largamente proseguida del mismo lento proceso que hoy ob­ servamos.
En lo que sigue, consideraremos algunos problemas a la lu~ del principio de las causas actuales.
3-2. Las rocas sedimentarias.- Todo el mundo ha observado cómo los arro­ yuelos que se forman en las laderas de las colinas, durante los chaparrones arras­ tran y extienden capas de barro, arena y grava hasta la base de las escarpadas faldas. Cualquier corriente, ya sea insignificante arroyuelo, ya caudaloso río, arrastra detritos curso abajo. La mayoría de los restos rocosos forman temporal­ mente barras de arena y grava, o se depositan en capas de cieno y lodo allí donde disminuye la velocidad del agua de los cursos; pero las crecidas y riadas arrastran estos depósitos más lejos y, en definitiva, su mayor parte va a parar luego al océano.
Tan comunes son estos hechos, que hace ya más de 2000 años los griegos aprt>ndieron a reconocer los depósitos formados por las aguas. Algunos llegaron mediante razonanúentos a la conclusión de que los lechos de grava y arena situados a un nivel superior al que alcanzaban las crecidas, de ellos contemporáneas, de­ bían de ser depósitos formados por corrientes más antiguas. También interpre­ taron como testimonios de anteriores mares, de situac