TEMA 14

Origen y estructura de la tierra

1.- INTRODUCCIÓN

La tierra es un planeta que se encuentra girando alrededor de una estrella que llamamos Sol . Junto con otros siete planetas y cuerpos menores ( asteroides, cometas.. ) constituye lo que se conoce como sistema solar

El sistema solar se encuentra situada en una galaxia que conocemos como vía láctea que tiene forma de espiral y gira alrededor de su eje a una velocidad tal que el Sol tarda 280 millones de años luz en dar una vuelta ( Año galáctico)

2.- ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DEL SISTEMA SOLAR

Se llama sistema solar la conjunto integrado por una estrella, el Sol, millones de astros menores que reciben el nombre de cuerpos planetarios y partículas de polvo y gas interplanetario

2.1 EL SOL

Es una esfera de gases incandescentes de un diámetro 109 veces el de la Tierra. Está compuesto por un 70% de hidrógeno, un 27 % de helio y el 3 % restante por otros gases.

Se puede diferenciar las siguientes zonas:

1.- NÚCLEO o zona de fusión nuclear en el que se alcanzan temperaturas de 16 millones de grados Kelvin que transforma el hidrógeno en helio

2.- ZONA DE RADIACIÓN: Zona dónde por radiación se transmite la energía liberada por la fusión nuclear

3.- ZONA DE CONVECCIÓN: Que transporta materia hasta la superficie

4.- FOTOSFERA: Capa externa visible de color amarillento debido a su temperatura, cercana a los 6000 K . En la fotosfera se originan las manchas solares. Son zonas más frías que la fotosfera circundante y se dan asociadas a fuertes campos magnéticos

5.- CROMOSFERA:Es una capa casi transparente que sólo puede observarse durante los eclipses de sol. Más allá de la cromosfera se extiende la corona, de la que gradualmente se pasa al espacio circundante. De la cromosfera surgen ocasionalmente unas erupciones gaseosas llamadas fulguraciones

2.2 CUERPOS PLANETARIOS

Existen 4 tipos de cuerpos planetarios:

1.- Los planetas: Los ocho cuerpos planetarios que giran alrededor del Sol

2.- Satélites: Astros que giran en torno a los planetas

3.- Asteroides: Planetas menores, la mayoría situados entre las órbitas de Marte y de Júpiter

4.- Cometas: Pequeños cuerpos planetarios formados por hielo y partículas de polvo que giran en torno al Sol más allá de la órbita de Neptuno

Estos cuerpos planetarios están formados principalmente por:

1.- Metales; fundamentalmente hierro

2.- Rocas , constituidas principalmente por minerales del grupo de los silicatos

3.- Elementos volátiles, fundamentalmente hidrógeno, helio o sus compuestos ( agua, metano y amoniaco)

En función de las proporciones en las que se mezclan estos tres componentes se diferencian tres tipos de cuerpos planetarios:

a) De silicatos y de hierro: Se incluyen los 4 planetas más próximos al Sol o planetas terrestres ( Mercurio, Venus , Tierra y Marte); la Luna y algunos asteroides

b) De silicatos y hielo:Plutón, Los satélites de los planetas gigantes y algunos asteroides

c) De hielo o hidrógeno: los planetas gigantes ( Saturno, Neptuno, Júpiter y Urano) y los cometas

3. ORIGEN DEL SISTEMA SOLAR

La teoría aceptada hoy en día recibe el nombre de Teoría de los Planetesimales. Concuerda razonablemente con la teoría del propio origen del Universo y de las galaxias a partir del Big - Bang.

Estos son sus presupuestos: una nube de gas y polvo cuyas partículas, por efecto de la gravedad, habrían comenzado a juntarse unas con otras, formando una gran masa que habría alcanzado la temperatura suficiente para iniciar las reacciones de fusión, apareciendo una estrella que sería el Sol. El resto de la nebulosa, dispuesta alrededor del Sol, comenzaría a enfriarse y sus componentes moleculares se habrían colocado de acuerdo a su densidad y masa por la atracción gravitatoria solar de la manera siguiente:

a.- Los elementos y moléculas más densos serían atraídos con mayor fuerza y quedarían más cerca del Sol, originando los planetas terrestres.

b- Los componentes gaseosos, más ligeros serían atraídos con menos fuerza y quedarían más lejos, originando los planetas gaseosos.

c.- Habrían aparecido pequeños cuerpos sólidos de distintos tamaños que se atraerían unos contra otros, uniéndose y formando cuerpos cada vez mayores. Estos cuerpos sólidos reciben el nombre de planetesimales.

d.- Finalmente estos planetesimales irían formando los ocho grandes cuerpos que terminarían dando los planetas. Los asteroides son planetesimales que no llegaron a formar planeta, o son restos de un planeta que se desintegró. Plutón sería atraído posteriormente por la gravedad del Sistema Solar. Los satélites más grandes se formarían igual que los planetas y otros serían asteroides y cometas capturados

4.- ORIGEN DE LA TIERRA Y LA LUNA

Al chocar los planetesimales (Acreción) se formó una bola incandescente que giraba alrededor del Sol, constituyendo la proto-Tierra. Cuando los planetesimales se fueron haciendo escasos y dejaron de chocar con la primitiva Tierra comenzó a enfriarse. En ese momento los materiales que la formaban se redistribuyeron y se colocaron según su densidad. Los más densos fueron a parar al interior del planeta, formando un NÚCLEO metálico de hierro (catástrofe del hierro)rodeado de un MANTO y una CORTEZA

Los más ligeros se situaron alrededor, formando una capa de gases que envolvería a la parte sólida. Estos gases originaron la ATMÓSFERA. Más tarde, al enfriarse la proto-Tierra, el vapor de agua se condensó con lo que la superficie terrestre se enfrió más deprisa y el agua se acumuló originándose la HIDROSFERA.

La teoría más aceptada sobre el origen de la luna fue propuesta por W. Hartmann y D. Davis. Según ellos , en la fase primordial( inicios de la Tierra) , un planeta de tipo terrestre colisionó con la Tierra ; formándose una nube de residuos que quedó orbitando en torno a la Tierra, y la acreción de estos materiales originó la Luna

5.- ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA

5.1 METODOS DIRECTOS DE INVESTIGACIÓN

A) MINAS Y SONDEOS

Las minas son excavaciones que se realizan para la extracción de minerales, mientras que los sondeos son perforaciones taladradas en el suelo ( 12 Km) .

Única información : la temperatura aumenta según se profundiza

b) VOLCANES

La mayoría de los materiales arrojados por los volcanes procede de lugares poco profundos, aunque en algunas ocasiones si arrastran rocas del interior y que por lo tanto son muestras de los materiales que hay en esas zonas

5.2 METODOS INDIRECTOS

A) METEORITOS

Tanto los meteoritos como la Tierra se forman a partir de la misma nebulosa y, más o menos, a la misma distancia de su centro; por lo tanto, sus composiciones deben ser semejantes. Así, la composición en un 98% de una aleación de hierro y níquel de un tipo de estos meteoritos, los sideritos, se hace coincidir con la del Núcleo terrestre, mientras que la de las condritas (olivino y piroxeno), se piensa que es similar a la del Manto.

B) DENSIDAD DE LA TIERRA:

La densidad de la tierra es de 5,52 g/cm3 mientras que la de las rocas de los continentes es de 2,2 g/cm3; luego el interior de la tierra debe ser más denso

c) MAGNETISMO TERRESTRE

La Tierra posee un campo magnético y su existencia nos revela que el núcleo está formado por un metal fundido en continua agitación.

De acuerdo con la teoría más aceptada , la Tierra se comporta como una dinamo autoinducida: El débil campo magnético que atraviesa nuestra galaxia desencadena la formación de un campo magnético en la Tierra. El núcleo metálico en movimiento y en presencia del campo magnético origina una corriente eléctrica que a su vez genera un campo magnético que refuerza ( autoalimenta) al inicial

d) ONDAS SISMICAS

Los terremotos son vibraciones del terreno generadas por la liberación brusca de Energía acumulada en las rocas que se encuentran sometidas a grandes esfuerzos. El lugar en el que se origina es el hipocentro y el lugar de la superficie más próximo al foco es el epicentro

La vibración originada en el foco se propaga en forma de ondas que van en todas las direcciones. Se denomina ondas sísmicas y se distinguen varios tipos

Ondas P (primarias). Son las más rápidas y las que llegan antes. La vibración se produce en el sentido de avance de la onda. Así, la velocidad de estas ondas es mayor cuanto menor es la densidad de la roca (inversamente proporcional) y, mayor cuanto más rígida (directamente proporcional). Además, las ondas P se pueden transmitir en fluidos (rigidez=0) pues su velocidad depende también de la incompresibilidad.

* Ondas S (secundarias). Son más lentas, puesto que la vibración se produce en el sentido perpendicular a la propagación de la onda. Al igual que en las anteriores la velocidad de estas ondas es mayor cuanto menor es la densidad de la roca (inversamente proporcional) y mayor cuanto más rígida (directamente proporcional), pero en ningún caso pueden atravesar fluidos.

Ondas de superficie: Cuando las ondas P y S llegan a la superficie se originan ondas superficiales   (R y L) muy similares a las que se forman en la superficie del agua de un recipiente al que le golpeamos un lateral. Los daños causados por los terremotos y los maremotos son consecuencia de estas ondas de baja frecuencia y gran longitud de onda. Desde el punto de vista de la estructura del interior de la Tierra no aportan información.

Al analizar los datos de la velocidad de las ondas P y S que atraviesan el interior de la Tierra se obtuvo la siguiente gráfica:

Teniendo en cuenta los cambios bruscos en la velocidad de las ondas se establecen las siguentes discontinuidades: una más superficial, denominada discontinuidad de Mohorovicic, que supone un gran aumento en la velocidad de las ondas y, otra a los 2.900 km, denominada discontinuidad de Gutenberg, no atravesada por las ondas S y que hace disminuir la velocidad de las ondas P.

Además se observan otras dos discontinuidades menos bruscas que las dos anteriores

A los 5150 la discontinuidad de Lehman donde se produce un aumento de la velocidad de las ondas P y a los 670 Km donde también hay un aumento de la velocidad de las ondas P y S

Como estos cambios nos indican cambios en la composición de la Tierra , podemos diferenciar una serie de capas en las que se estructura la Tierra

5.3 CAPAS DE LA TIERRA

El planeta está estructurado en forma de capas aproximadamente concéntricas

Según el criterio utilizado, las zonas de la Tierra se pueden clasificar en :

a) UNIDADES GEOQUÍMICAS: El criterio utilizado es la composición química de los materiales que las componen

En este caso la Tierra se divide en:

1.- CORTEZA :Es la capa más superficial y la menos densa, con una densidad media de 2,7 g/cm3 y una profundidad media de 30 kilómetros ( discontinuidad de Moho) . Presenta una gran variabilidad, desde 5 km bajo los océanos, a los 70 km bajo las grandes cordilleras. Aparentemente, es la más heterogénea, tal vez por ser la mejor conocida.

Desde el punto de vista composicional y genético se presentan dos variedades bien definidas: Corteza oceánica y Corteza continental

1.1 Corteza oceánica: 0-10 kilómetros.Es más densa y más delgada que la corteza continental, y muestra edades que, en ningún caso, superan los 180 millones de años. Se encuentra en su mayor parte bajo los océanos y manifiesta un origen volcánico. Se forma continuamente en las dorsales oceánicas y, más tarde, es recubierta por sedimentos marinos. Presenta una estructura en capas. Nivel 1: Capa de sedimentos. Desde un espesor muy variable, 1.300 metros de media, pero inexistente en las zonas de dorsal, hasta espesores de 10 km en las zonas que bordean a los continentes.

Nivel 2: Lavas almohadilladas. Basaltos submarinos emitidos en las zonas de dorsal que, al sufrir un rápido enfriamiento, ofrecen superficies lisas y semiesféricas.

Nivel 3: Diques Basálticos. Son de composición similar a las lavas almohadilladas y están solidificados en forma de diques verticales. Cada dique tiene un antiguo conducto por donde se emitía la lava que formó el nivel anterior.

Nivel 4: Gabros. Representa material solidificado en la cámara magmática existente bajo la zona de dorsal. Este material solidificado alimentó los dos niveles anteriores.

1.2 Corteza Continental: de 0-70 kilómetros.Menos densa y más gruesa que la Corteza Oceánica. Se encuentra en las tierras emergidas y plataformas continentales. Muestra edades mucho más antiguas que la Corteza Oceánica, pudiendo encontrarse rocas que se formaron hace 4000 millones de años.

Muy heterogénea en su mitad inferior predominan las rocas metamórficas ( gneis y esquistos), entre ellas se sitúan grandes macizos de granito y en la zona más superficial abundan las rocas sedimentarias

Presenta dos tipos de zonas que se diferencian por suespesor ,morfología y en su disposición:* Cratones: Partes de la corteza continental formadas por las rocas más antiguas y estables. Han sufrido la acción de los procesos externos por eso no presentan grandes relieves.* Orógenos: Están ocupadas por las cuencas en las que se acumulan los sedimentos y por las cordilleras que se forman a partir de ellos.

2. EL MANTO.Se sitúa por debajo de la corteza y se extiende desde la discontinuidad de Mohorovicic hasta la de Gutemberg.Su composición química es bastante uniforme ya que está formando íntegramente por rocas ígneas plutónicas del tipo de las peridotitas.A pesar de esta relativa uniformidad, los estudios sísmicos han revelado que el manto podría presentar una estructura en capas debida a las variaciones de las condiciones termodinámicas a medida que aumenta su profundidad:Manto superior: se sitúa en la discontinuidad de Mohorovicic y los 400 km de profundidad. Está compuesto por rocas ricas en olivino y piroxenos.

·Zona de transición del manto: Posee unas reorganizaciones minerales debido al incremento de la presión que tiene lugar al aumentar la profundidad y que dan lugar a especies progresivamente más densas así, partir del los 400 km se puede producir una reorganización atómica en el olivino para crear una estructura más compacta de un mineral llamado espinela; a partir de los 670 km la estructura de espinela se desdobla en perovskita y óxido de magnesio.

Manto inferior: se extiende desde los 1000 a los 2900 km de profundidad. Se compone de rocas ultrabásicas compactas.

Nivel D''. Zona situada entre los 2700 y los 2900 km de profundidad. Podría estar compuesto por una mezcla de rocas del manto y material procedente del núcleo, principalmente hierro, que podría ascender por capilaridad hasta esta zona. Dada las altas temperaturas, se formarían agregados de aleación de hierro y rocas silíceas ferruginosas

3.- NUCLEO: (desde los 2.900 hasta los 6.370 km). La densidad es muy alta, de tal manera que su composición debe ser parecida a los sideritos (meteoritos de hierro). Está constituido en su mayor parte por una aleación de hierro y níquel. El comportamiento de las ondas S nos muestra dos partes muy diferenciadas, separadas hacia los 5.100 kilómetros:

a) Núcleo externo:Fundido, puesto que las ondas S no lo atraviesan. La temperatura alcanza los 5.000 grados. La menor densidad con respecto al interno hace pensar que, además de hierro y níquel, puede haber otros elementos, fundamentalmente, azufre y, en menor cantidad, silicio y oxígeno. Presenta fuertes corrientes de convección.

b) Núcleo interno:Sólido, evidenciado por una mayor velocidad de las ondas P. Por su mayor densidad se piensa que su contenido en azufre es mucho menor que el del Núcleo externo. Esta circunstancia, junto con las mayores presiones existentes en el interior, posibilita su estado sólido pese a existir mayores temperaturas (superiores a 6000 º C

b) UNIDADES DINÁMICAS

Se establecen en función de las características físicas de los materiales, como su comportamiento mecánico o su estado físico

En esta división la tierra se divide en:

a) Litosfera: Es la capa más externa y rígida. Incluye toda la corteza y algo del manto Su grosor varía de unos lugares a otros

b) Manto sublitosférico ( antes llamada astenosfera) Es la capa plástica que alcanza hasta la discontinuidad de los 670 km . Se encuentra en estado sólido pero sometidos a fuertes corrientes de convección ( su comportamiento es de un fluido de viscosidad muy elevada)

c) Mesosfera: También se encuentra sometidas a corrientes de convección, motivadas por las diferencias de temperatura y por tanto de densidad entre las zonas más profundas y las más altas

d) Endosfera: Esta capa se corresponde con el núcleo geoquímica, tiene una dinámica propia ,responsable del magnetismo. Se divide en

d.1) Núcleo externo: Se encuentra en estado líquido , agitado por fuertes corrientes de convección y desempeña un papel clave en la creación del campo magnético terrestre

d.2 ) Núcleo interno. A medida que el núcleo libera calor a través del manto, el hierro cristaliza y se acumula en el fondo. Este hierro sólido es el que forma el núcleo interno.