TEMA II

EL INTERIOR DE LA TIERRA

Los sondeos perforados en la corteza en busca de petróleo, gas y otros recursos naturales, sólo alcanzan los últimos 7 km, incluso el sondeo de Kola, un pozo de investigación superprofundo, sólo ha penetrado 12,3 km. Aunque la actividad volcánica se considera una ventana al interior de la Tierra, permite sólo una ojeada a los 200 km más externos.Se ha aprendido mucho de la composición y la estructura de la Tierra a través de modelos de computador, por experimentos de laboratorio a altas presiones y meteoritos que chocan con la Tierra. Además del estudio de las ondas sísmicas.

Sondeo del interior de la Tierra

L a técnica consiste en la determinación precisa del tiempo que las ondas P (compresivas) y S (cizalla) necesitan para desplazarse desde un terremoto o explosión nuclear hasta una estación sismográfica. El tiempo depende de las propiedades de los materiales que cruzan. Un problema es establecer la localización y el momento precisos de producción de un terremoto. Por el contrario, en un ensayo nuclear siempre se conocen con exactitud.

Naturaleza de las ondas sísmicas

La energía sísmica viaja desde su origen en todas las direcciones en forma de ondas. Entre las características significativas de las ondas sísmicas se cuentan:

1. La velocidad depende de la densidad y la elasticidad de los materiales que atraviesan, más deprisa en los materiales rígidos que retornan elásticamente a sus formas originales cuando cesa el esfuerzo.

2. La velocidad aumenta con la profundidad, porque la presión aumenta y comprime la roca.

3. Las ondas P vibran hacia atrás y hacia delante en el mismo plano que su dirección de movimiento, capaces

de propagarse tanto en líquidos como en sólidos cuando están comprimidos.

4. Las ondas S vibran en ángulo recto a su dirección de desplazamiento, no se propagan en los líquidos porque, los líquidos sometidos a fuerzas que actúan para cambiar su forma, simplemente fluye.

5. En todos los materiales las ondas P viajan más deprisa que las ondas S.

6. Cuando las ondas pasan de un material a otro, la trayectoria de las ondas se refractan. Además, la discontinuidad refleja algo de energía.

Ondas sísmicas y estructura de la Tierra

Además de cambios graduales en las velocidades de las ondas, también se producen cambios de velocidad bastante abruptos a profundidades concretas. Estas discontinuidades se detectaron en todo el mundo.

Capas definidas por su composición

La corteza, capa externa comparativamente fina cuyo grosor oscila entre 3 km, en las cordilleras oceánicas, y 70 km, en algunos cinturones montañosos como los Andes y el Himalaya.

El manto, una capa de roca sólida (rica en sílice) que se extiende hasta una profundidad de unos 2.900 km.

El núcleo, una esfera rica en hierro con un radio de 3.486 km.

Capas definidas por sus propiedades físicas

La Tierra puede dividirse en cinco capas principales según sus propiedades físicas y, por tanto, su resistencia mecánica: la litosfera, la astenosfera, la mesosfera (manto inferior), el núcleo externo y el núcleo interno.

Litosfera y astenosfera. La litosfera está formada por la corteza y el manto superior y forma un caparazón relativamente rígido y frío. Litosfera (esfera de roca), tiene un grosor medio de 100 km, pero puede extenderse 250 km o más por debajo de las porciones más antiguas de los continentes. Dentro de las cuencas oceánicas, la profundidad es de tan sólo unos pocos km debajo de las dorsales oceánicas y aumenta hasta casi los 100 km en las regiones de la corteza oceánicas más antiguas y frías. A una profundidad de unos 660 km, se extiende una capa blanda, relativamente débil, conocida como astenosfera (esfera débil). En la parte superior hay una pequeña cantidad de fusión, y dentro de esta zona de debilidad, la litosfera está mecánicamente despegada de la astenosfera y puede moverse con independencia.Las rocas de la litosfera se calientan y se debilitan progresivamente al aumentar la profundidad (excepción). A la profundidad de la astenosfera superior, las rocas están lo suficientemente cerca de su temperatura de fusión.

Mesosfera o manto inferior. La mayor presión contrarresta los efectos de la temperatura más elevada y las rocas son gradualmente más resistentes con la profundidad. Entre 660 km y 2.900 km, se encuentra una capa más rígida llamada mesosfera (esfera madia) o manto inferior. A pesar de su resistencia, las rocas están todavía muy calientes y pueden fluir de una manera muy gradual.

Núcleo interno y externo. Compuesto principalmente por una aleación de hierro y níquel. El núcleo externo es una capa líquida de 2.270 km de espesor. El flujo convectivo del hierro es el que genera el campo magnético de la Tierra. El núcleo interno, con un radio de 3.486 km, tiene una temperatura más elevada. Pero debido a la inmensa presión se comporta como un sólido.

Descubrimiento de los límites principales de la Tierra

Analizando los datos sismológicos recogidos y experimentando en el laboratorio con los diversos materiales de la Tierra bajo los ambientes extremos de las zonas profundas de nuestro planeta, se han desarrollado una imagen detallada de la Tierra.

Discontinuidad de Mohorovicic

En 1909, Andrija Mohorovicic, descubrió la composición diferente entre la corteza y el manto subyacente y se denominó discontinuidad de Mohorovicic. Este límite pasó a llamarse Moho.

Mohorovicic descubrió que las estaciones sismográficas alejadas más de 200 km de un terremoto obtenían velocidades medias apreciablemente mayores para las ondas P que las estaciones localizadas más cerca del mismo (unos 6 km por segundo frente a 8 km por segundo). Concluyó entonces que por debajo de 50 km existía una capa con propiedades notablemente diferentes a la capa más externa de la Tierra.

L a primera onda alcanzó el sismógrafo, a 100 km, directamente a través de la corteza. En el sismógrafo localizado a 300 km, la primera onda P que llegó viajó a través del manto, una zona de mayor velocidad. Viajó una distancia mayor pero llegó antes que los rayos que siguieron la ruta más directa.

Límite núcleo-manto

En 1914 Beno Gutenberg estableció el límite núcleo-manto. Se basó en que las ondas P disminuyen y finalmente desaparecen a unos 105° desde un terremoto. Luego, alrededor de 140°, reaparecen, pero unos 2 minutos después de lo que cabría esperar. Este cinturón de 35° se denomina zona de sombra de las ondas P. Esto podría explicarse si la Tierra contuviera un núcleo compuesto de un material diferente al del manto suprayacente. Las ondas P no se interrumpen, sino que se refractan cuando entran en el núcleo.

Las ondas S no atraviesan el núcleo, por lo que, al menos una parte de esta región, es líquida. También las ondas P disminuyen de manera súbita, aproximadamente un 40%, cuando entran en el núcleo porque la fusión reduce la elasticidad de las rocas, evidencia de una capa líquida.

Descubrimiento del núcleo interno

En 1936, Inge Lehmann, descubrió una nueva zona de refracción y reflexión sísmicas dentro del núcleo. Se descubrió un núcleo dentro del núcleo. A principios de los años sesenta, unas pruebas nucleares subterráneas en Nevada determinaron una medida precisa para su tamaño por los ecos de las ondas que rebotaban en el núcleo interno (al conocerse la localización y el momento exacto de las explosiones). El núcleo interno tiene un radio de unos 1.216 km y es sólida, ya que las ondas P tienen velocidades medias más rápidas que en el núcleo externo.

En las últimas décadas, los avances han permitido grandes refinamientos del modelo del interior de la Tierra que se ha presentado hasta aquí. A continuación consideraremos algunos de ellos.

La corteza

Tiene un grosor medio inferior a 20 km. Los continentes tienen un grosor de 35 a 40 km. En pocas regiones montañosas la corteza alcanza los 70 km. La corteza oceánica, entre 3 y 15 km, tiene un grosor medio de 7 km.

Las rocas continentales tienen una densidad media de unos 2,7 g/cm 3 y algunas superan los 4.000 años de antigüedad. La composición media de las rocas continentales es comparable a la de las rocas ígneas félsicas de tipo granodiorita.

Rica en los elementos sodio, potasio y silicio. Se encuentran rocas basálticas y andesíticas. La corteza inferior tiene una composición similar al basalto.

Las rocas de la corteza oceánica so más jóvenes (180 millones de años o menos) y más densas (unos 3,3 g/cm 3). Las cuencas oceánicas profundas están compuestas fundamentalmente por basalto. Las erupciones volcánicas de lavas basálticas han generado muchas islas, como la cadena de Hawaii.

El manto

Ocupa aproximadamente el 82 % del volumen terrestre y tiene casi 2.900 km de espesor formada por rocas silicatadas. Su composición procede de datos experimentales y del examen de material traído por la actividad volcánica. Las chimeneas de Kimberlita tienen su origen en profundidades próximas a los 200 km. Los depósitos de Kimberlita están compuestos por peridotitas, rocas que contienen hierro y silicatos ricos en magnesio, fundamentalmente olivino y piroxeno, con cantidades menores de granate.

A una profundidad de unos 410 km hay un cambio de fase (cuando la estructura cristalina de un mineral se modifica en respuesta a cambios de la temperatura o de la presión, o ambas cosas). El mineral olivino (MgSiO 4) se transforma en espinela.

Otro límite, a una profundidad de 660 km, el mineral espinela se transforma en perovskita (Mg, Fe) SiO3. La perovskita domina en el manto inferior, por lo que quizá sea el mineral más abundante de la Tierra.

En los 200 km inferiores del manto, existe la capa D. Capa parcialmente fundida al menos en algunos lugares. Estas zonas, si existen, transportan calor del núcleo al manto inferior mucho más eficaz que la roca sólida podrían adquirir flotabilidad y ascender lentamente hacia la superficie. Estas plumas ascendentes de roca supercaliente pueden ser la fuente de la actividad volcánica asociada con los puntos calientes, como en Hawaii e Islandia, y pueden ser una manifestación de procesos que se producen a 2.900 km por debajo de nuestros pies.

El núcleo

Con un radio de 3.486 km, constituye alrededor de una sexta parte del volumen de la Tierra y casi una tercera parte de su masa total. La presión en el centro es millones de veces mayor que la presión del aire en la superficie, y las temperaturas pueden superar los 6.700°C. Consiste en una capa externa líquida de unos 2.270 km de grosor y una interna sólida con un radio de 1.216 km.

Densidad y composición

Su densidad media es de unos 11g/cm3, y en el centro de la Tierra se aproxima a 14 veces la densidad del agua.

Los meteoritos proporcionan una pista importante sobre la composición interna de la Tierra. Dado que son parte del Sistema Solar, son muestras representativas del material de la Tierra en su origen. Meteoritos de tipo metálico, compuestos por hierro y cantidades menores de níquel, y meteoritos rocosos, compuestos por sustancias rocosas que se parecen mucho a las peridotitas. La corteza y el manto contienen porcentajes mucho menos cantidades de hierro del que se encuentra en los restos del Sistema Solar. El hierro es, con diferencia, la sustancia más abundante del Sistema Solar y fundamentalmente lo que se encuentra en el núcleo con un 5 a un 10% de níquel y menores cantidades de, quizás, azufre y oxígeno.

Origen

Las explicaciones sobre su origen son más especulativas. La más aceptada es la que durante el período de acreción (crecimiento de un cuerpo por agregación de cuerpos menores), la Tierra entera se calentó por la energía liberada por las colisiones de partículas que caían sobre ella. Gotas de materiales pesados ricos en hierro se reunieron y se hundieron hacia el centro. Las sustancias más ligeras quizá flotaron hacia la superficie para generar la corteza. Cuando la Tierra empezó a enfriarse, el hierro del núcleo empezó a cristalizar y empezó a formarse el núcleo interno. A medida que el núcleo continúe enfriándose, el núcleo interno deberá crecer a expensas del núcleo externo.

El campo magnético terrestre

El interior de la Tierra está demasiado caliente para que cualquier material conserve su magnetismo. El núcleo está compuesto por un material conductor de la electricidad, como el hierro, y es móvil. Condiciones esenciales para crear magnetismo, ya que la presencia de un campo magnético está relacionada con la rotación de un cuerpo y la presencia de un interior fluido. (como el Sol, Venus y Júpiter).

El campo magnético afecta a la rotación del núcleo interno sólido. El núcleo interno gira de oeste a este aproximadamente un grado más deprisa al año que la superficie de la Tierra. Hace una rotación extraordinaria aproximadamente cada 400 años. El eje de rotación está desalineado unos 10° con respecto a los polos rotacionales de la Tierra.

¿Por qué la Tierra tiene un campo magnético? Unas líneas invisibles de fuerza atraviesan la Tierra y salen al espacio mientras se extienden de un polo al otro. Los polos magnéticos no coinciden con los geográficos. El polo norte magnético se sitúa al noreste del Canadá, y el polo sur magnético al sur de Australia.

Al principio de los años 60, descubrieron que el campo magnético cambia de polaridad periódicamente (cada un millón de años, más o menos); el campo magnético de ha debilitado aproximadamente un 5% durante el siglo pasado. Si continúa durante otros 1.500 años, se debilitará o dejará incluso de existir.

La máquina térmica del interior de la Tierra

La temperatura aumenta gradualmente con la profundidad a un ritmo conocido como gradiente geotérmico. En la corteza, aumenta deprisa, a una media de 20°C a 30°C por km. Es mucho menor en el manto y en el núcleo. A una profundidad de 100 km, la temperatura supera los 1.200°C, en el límite núcleo-manto es de 3.500-4.500°C y puede superar los 6.700°C en el centro de la Tierra.

Tres procesos importantes han contribuido al calor interno de la Tierra: (1) el calor emitido por la desintegración radiactiva de los isótopos de uranio (U), torio (Th) y potasio (K); (2) el calor liberado cuando el hierro cristalizó para crear para formar el núcleo interno sólido, y (3) el calor liberado por la colisión de partículas durante la formación de nuestro planeta. El primero de los dos procesos sigue activo, pero su generación de calor es menor. En la actualidad, irradia más calor hacia el espacio de la que es generada.

Flujo de calor en la corteza

El calor se produce por el proceso de conducción (transferencia de calor a través de la materia por actividad molecular). La corteza tiende a actuar como un aislante (frío en la parte superior y caliente en la inferior).

A lo largo de los ejes de las cordilleras mesoceánicas, las velocidades de flujo de calor son relativamente elevadas. Por el contrario, en los antiguos escudos (como el canadiense y el báltico) es relativamente bajo.

Convección del manto

La convección (con=con; vect=transportado) es la transferencia de calor mediante el movimiento o la circulación en una sustancia. El flujo convectivo del manto (mediante el cual las rocas calientes menos densas ascienden y el material más frío y denso se hunde) es la fuerza que impulsa las placas litosféricas rígidas a través del planeta. Las plumas ascienden desde el núcleo-manto lentamente hacia la superficie. Estas serían la rama caliente en el mecanismo convectivo que actúa en el manto. En los bordes de placa convergente, donde están siendo subducidas láminas densas y frías de litosfera, se produce flujo descendente hasta el límite núcleo-manto.

Cuando un material que exhibe comportamiento plástico se somete a esfuerzos breves, como los producidos por las ondas sísmicas, se comporta como un sólido elástico. Sin embargo, en respuesta a esfuerzos aplicados durante períodos muy largos, este mismo material fluirá. Este comportamiento explica por qué las ondas S pueden penetrar en el manto, aunque esta capa rocosa sea capaz de fluir (como los dulces).

El manto está compuesto por roca sólida caliente, que bajo presiones de confinamiento extremas, desconocidas en la superficie, es capaz de fluir.

Una herramienta analítica, llamada tomografía sísmica, utiliza los computadores para combinar los datos procedentes de múltiples fuentes para construir una imagen tridimensional del objeto. La información procedente de muchas ondas entrecruzadas se combina para cartografiar regiones de velocidad sísmica “lenta” y “rápida”. Velocidad sísmica lenta se asocian con rocas calientes que afloran, y velocidad sísmica rápida con rocas frías con zonas en las que las rocas frías descienden.

Otra técnica innovadora, llamada modelado numérico, utiliza computadores de alta velocidad para resolver ecuaciones matemáticas que describen la dinámica de fluidos parecidos al manto. Por el desconocimiento de la viscosidad exacta del manto, se simulan diferentes condiciones. Los resultados se pueden representar gráficamente.