Geología I - Interior de la Tierra y su dinámica

La geosfera

Es la es la parte sólida de la Tierra. En la geosfera se encuentran las rocas, minerales y suelos, que forman esferas concéntricas conocidas como sus capas (litosfera, núcleo y manto). Es una esfera rocosa de unos 6300 km de radio cuyo interior se ha empezado a estudiar hace apenas un siglo gracias a dos tipos de métodos de estudio.

• Métodos de estudio directo:

• Puede realizarse sobre muestras de rocas superficiales y de ellas obtenemos datos de composición y temperatura de los magmas.

• Las muestras mas profundas se obtienen en excavaciones mineras y sondeos por perforación. La mayor profundidad alcanzada es de unos 14 km de profundidad, está en la península de Kola (Rusia) y se excavó con fines científicos en 1962.

• Métodos de estudio indirecto: Son los que nos aportan la mayor parte de nuestro conocimiento científico del interior de la geosfera. Se basa en mediciones de algunas características físicas del planeta y de cálculos teóricos obtenidos a partir de ellas.

• Método gravimétrico: El gravímetro detecta las variaciones locales del campo gravitatorio terrestre que se producen sobre las zonas poco densas del interior de la tierra (acuíferos, yacimientos de gas...) o zonas con masas de rocas más densas que las que le rodean.

• Método magnético: La presencia de campo magnético en la tierra se debe a que el interior de la misma presenta una zona interna formada por metales. Se pueden detectar cambios locales en el campo magnético con un magnetómetro, y esto nos indicaría la presencia de minerales magnéticos en zonas superficiales.

• La Densidad de la Tierra: se ha calculado que la densidad media de la Tierra es de 5,5 gr/cm3. Este cálculo se ha hecho dividiendo la masa del planeta entre su volumen. Sin embargo la densidad de las rocas superficiales es de 2, 7 gr/cm3, por lo tanto podemos deducir que la densidad terrestre tiende a aumentar con la profundidad.

• Gradiente geométrico: la temperatura del interior de la Tierra tiende a aumentar unos 3ºC cada 100 metros de profundidad. Ocurre así al menos en los primeros 50 km y, a mayor profundidad, ese ritmo de aumento disminuye. En todo caso esto nos indica que las rocas del interior de la Tierra van a tender a estar mucho más calientes que las rocas superficiales.

• La comparación con los meteoritos: Este método en realidad parte de una suposición. se piensa que la mayor parte de los meteoritos que caen en la tierra son fragmentos de planetas de características similares a la Tierra en composición y estructura. Siendo así presentarían igualmente diferentes capas de materiales ordenados hacia el centro según su densidad. Sin embargo estos planetas no llegarían a formarse adecuadamente y se desintegrarían, dejando estos restos a la deriva en el espacio que serían los meteoritos que alcanzan nuestro planeta. Dado que existen diferentes tipos de meteoritos que variarán en su composición, suponemos esto se debe a que proceden de diferentes capas del interior de ese planeta que no llego a formarse, y que por su similitud con el nuestro nos indicaría la composición de las capas internas de nuestro planeta.

• Los aerolitos están formados principalmente por silicatos y se corresponderían con la composición de las capas más superficiales.
• Los siderolitos están formados por rocas y metales en proporción un semejante y se corresponderían con la composición de las capas intermedias
• Los sideritos están compuestos principalmente por hierro y níquel se corresponderían con la composición del núcleo planetario

• El método sísmico: gracias al uso de los sismógrafos, colocados en diversas zonas del mundo, podemos medir la velocidad de propagación de las ondas sísmicas durante los terremotos, localizando el foco de un terremoto así como las ondas que se propagan a través del interior de nuestro planeta. Existen dos tipos de ondas

• Las ondas P son las primeras en ser detectadas y son aquellas capaces de propagarse a través de medios líquidos y sólidos a gran velocidad.
• Las ondas S son de propagación más lenta y además solo pueden atravesar medios sólidos.

Discontinuidades: Por otro lado la velocidad de propagación de las ondas sísmicas nos indica también las variaciones en la naturaleza de los materiales que son atravesados. De este modo si las ondas llegan a la frontera entre dos zonas de diferente naturaleza, se observará una variación brusca en la velocidad de propagación de la onda. A esta variación la denominamos discontinuidad. Se conocen varias discontinuidades que nos indican que nuestro planeta está formado por capas concéntricas de materiales que presentan distinto tipo de materiales y que además se encuentran en diferentes estado.

• Mohorovicic (10 a 40 km): la velocidad de las ondas P y S aumenta al alcanzar esta discontinuidad esto indica que a partir de ese punto las rocas son más densas.
• Discontinuidad de los 650 km. A partir de esta profundidad tanto las ondas P como las ondas S comienzan a estabilizar su velocidad, lo que se ha relacionado con un aumento en la plasticidad de las rocas.
• Gutenberg (2900 km): Desde este punto las ondas P varían bruscamente su velocidad y las ondas S directamente no alcanzan esta zona lo cual indica que hay un cambio a un estado líquido de los materiales.
• Wiechert-Lehmann (5100 km). Se vuelve a producir una variación en la velocidad por parte de las ondas P, que habían reducir su velocidad a partir de Gutenberg y ahora vuelven a aumentar su velocidad. Esto relaciona con la vuelta al estado sólido de los materiales en el centro de la Tierra.

Estructura del interior de la Tierra

Estructura geoquímica:

Con todos los datos que conocemos de los métodos de estudio de la geosfera, podemos deducir que esta está estructurada en tres capas concéntricas denominadas corteza, manto y núcleo

• Corteza: es la capa más superficial de la geosfera y se encuentra formado por rocas sólidas y rígidas. no obstante la corteza tampoco es continua en grosor dado que la corteza continental presenta un grosor medio de 70 km y además una composición formada por una gran variedad de rocas de origen magmático (principalmente granitos), así como metamórficas (principalmente esquisto y gneis) y rocas sedimentarias y la corteza oceánica sin embargo apenas tiene un grosor medio de 10 km y con rocas más densas, básicamente basaltos y los gabros, lo cual hace que, aun siendo más estrecha que la continental, presenta una mayor densidad. Además esta corteza está recubierta por una capa de sedimentos de espesor muy variable.

• Manto: es la de mayor extensión de la geosfera, se extiende desde la corteza (indicado por la discontinuidad de Mohorovicic) hasta los 2900 km de profundidad. Su composición principal son rocas de tipo peridotitas que están más calientes y son mucho más compactas que las rocas de la corteza. Además, al alcanzar la discontinuidad de 650 km de profundidad, se detecta un cambio en la composición de las rocas se cree que las condiciones de presión y temperatura reorganizan algunos de los minerales de las peridotitas y es lo que provocaría este cambio.

• Núcleo: es la capa o esfera central de la geosgera y aparece desde los 2900 hasta los 6371 km (el centro del planeta).  Se deduce a partir de los datos de densidad, magnéticos y por comparación con los meteoritos que su composición es principalmente hierro y en menor cantidad níquel, así como trazas de otros metales. La temperatura sería tan alta que podamos diferenciar dos subcapas separadas por la discontinuidad Wiechert-Lehman (a 5150 kilómetros).

• El núcleo externo está en estado líquido
• En núcleo interno estaría en estado sólido y sería muy compacto y muy denso.

Estructura dinámica:

Además de una descripción de la estructura física de la Tierra (corteza, manto y núcleo), las métodos sísmicos nos han promocionado pruebas de una estructura dinámica basada en la composición y estado físico de los materiales de su interior. Así los diferentes estudios sísmicos nos han demostrado que podemos encontrar comportamientos dinámicos en el interior de la geosfera debido que hay elementos rígidos, plásticos o fluidos por lo que sus elementos van a experimentar movimientos que nos van a permitir extender el concepto de las capas concéntricas a otras diferentes de las debidas a las divisiones geoquimicas.

• La litosfera: sería una capa rígida, formada por la corteza y por la parte más superficial del manto, que es más rígido y frío. Por eso esta capa no es continua sino que está formada por placas independientes que van a mantener el contacto con otras. Debido a ello la litosfera se podrá dividir en la litosfera continental (con 120 km de espesor) y la oceánica (con un espesor de 65 km).
• El manto sublitosférico: se encuentra entre la litosfera y en lo que sería la parte del manto que no estaría incluida en la litosfera, y en ella encontraremos un comportamiento plástico que permite que se produzcan ciertos movimientos a través del mismo.
• Movimientos descendentes de placas de litosfera frías que se van a hundir lentamente hasta el límite del manto con el núcleo.
• Movimientos ascendentes de masas de rocas muy calientes y con poca densidad desde el límite del núcleo hasta la litosfera donde se van a acumular, van a agrietar la litosfera y van a fundirse produciendo magma.
• Núcleo externo; es la parte más externa del núcleo terrestre y es de metal líquido, experimentando corrientes de convección debidas a diferencias de temperatura entre las zonas más profundas y calientes y las más superficiales y frías que se encontrarán en contacto con él 
• Núcleo interno: es una masa sólida de metal. Está muy caliente y parece que tiene un momento de rotación independiente del la rotación del planeta, siendo este uno de los motivos por el que tenemos campo magnético.

El campo magnético terrestre:

El campo magnético terrestre es un campo magnético que rodea la Tierra. Se genera por el movimiento del hierro fundido en el núcleo del planeta. Protege la Tierra de la radiación dañina del sol, como los rayos cósmicos y el viento solar. También ayuda a proteger la atmósfera de la Tierra de ser arrastrada por el viento solar y sin el campo magnético terrestre, la Tierra sería un lugar muy diferente. La vida tal como la conocemos no habría sido posible.

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El campo magnético terrestre no es uniforme. Es más fuerte en los polos que en el ecuador. El campo magnético también cambia con el tiempo. Los polos magnéticos se invierten periódicamente, y el campo magnético puede debilitarse o fortalecerse.

La dinámica terrestre

La actividad interna de la geosfera se deben a una fuerte energía geotérmica, que es la que contienen los materiales del interior de la Tierra. Esta energía mantiene las capas profundas de nuestro planeta a altas temperaturas y se trasfiere al exterior en forma de calor. Debido a ella el interior del núcleo terrestre está a unos 6700ºC y se transfiere a la superficie en forma de calor.

El origen de este calor interno de la tierra tiene dos posibles causas. 

• El calor de formación de la Tierra: hace unos 4600 millones de años, violentos choques de los diferentes materiales que orbitaban alrededor del Sol provocaron la formación de la Tierra. Durante millones de años estos fragmentos estuvieron chocando entre sí agregándose, de manera que hubo impactos contínuos durante este tiempo y así, además de aumentar el tamaño del planeta, se liberó una gran cantidad de energía llegando el planeta a calentarse tanto que se fundió completamente. Cuando estos impactos empezaron a ser menos frecuentes, nuestro planeta empieza a enfriarse en su superficie y se empezó a formar una corteza fría y aislante que mantuvo el interior de las capas profundas a altas temperaturas.

• La actividad de los elementos radiactivos: los elementos radiactivos presentes en las capas internas de la tierra, sobre todo en el núcleo, sufren reacciones nucleares de desintegración radiactiva espontánea, los cuales van a emitir una gran cantidad de energía, liberando una alta temperatura, siendo esta la principal causa de la energía geotérmica en la actualidad.

Transferencia de calor: la energía geotérmica se transfiere desde el interior del núcleo del planeta en forma de calor. Eso se produce de tres modos: conducción, radiación y convección.

• Por conducción: aunque los materiales terrestres no son buenos conductores del calor, una cierta cantidad se transmite desde el interior de la Tierra a través de las moléculas de los mismos.
• Por radiación: La Tierra emite calor en forma de radiaciones infrarrojas.
• Por convención: dada la naturaleza plástica de los materiales del manto, en su seno se producen movimientos cíclicos ascendentes y descendentes de materiales, denominadas corrientes de convección. Los materiales más profundos del manto, en contacto con las altas temperaturas del núcleo, se van a calentar y su densidad va a disminuir por lo que van a tender a ascender hacia la superficie. En la superficie, sin embargo, las capas de la litosfera y el manto superior están más frías y son más densas, lo que provoca su descenso a regiones más profundas. Esto forma estas corrientes ascendentes y descendentes llamadas corrientes de convección que en la actualidad se considera que son las principales responsables de la dinámica terrestre.

La Geosfera es dinámica, no estática.

Aunque en la actualidad es bien conocido que la corteza terrestre sufre una serie de cambios debidos al movimiento de las placas tectónicas, hasta el siglo XIX existían los mismos prejuicios a la idea del cambio en la superficie de la Tierra que los que existían hacia la idea de un posible cambio en los seres vivos. Hasta ese momento se consideraba que la Tierra y las criaturas que la habitan había sido creadas y que se mantenían invariables tal y como se encontraban en ese momento de creación. Esta concepción comenzó a cambiar en la misma época. En el caso de la geología cuando se empezaron a aportar pruebas geológicas de la existencia de una geosfera dinámica. 

Entre los siglos XVIII y XIX van a surgir las primeras ideas movilistas sobre la geosfera, cuando algunos naturalistas se cuestionaron si sería casual el hecho de que las costas de Sudamérica y África encajaran casi a la perfección, como si fueran las piezas de un puzzle. Y dedujeron que parecía que hubieran estado unidas y se hubieran separado en algún momento.

En 1910 Frank Taylor propuso una de las primeras ideas movilistas de los continentes, sugiriendo que grandes cordilleras como los Andes podrían ser el resultado de las enormes fuerzas derivadas de esos movimientos continentales. Sin embargo,  no sería hasta 1915, con la publicación de "El origen de los continentes y los océanos" de Alfred Wegener, cuándo se alcanza una primera hipótesis basada en pruebas. A esta hipótesis se la conoce como Hipótesis de la deriva continental y en ella se establece la existencia de un único continente en el pasado llamado Pangea que se fragmentó originando nuevos continentes debido al desplazamiento de los mismos sobre el fondo oceánico. De este modo se cambiaría la geografía continental y se crea el relieve de las tierras emergidas.

A diferencia de Taylor, Wegener pudo aportar algunas pruebas.

• Pruebas geográficas: gracias a la cartografía precisa de la que se dispone en aquel momento, Wegener puedo comprobar que las líneas de las costas de muchos continentes actuales encajan como un puzzle. Explicaría las posibles imperfecciones de este encaje como debidas a la erosión del litoral o los cambios en el nivel del mar, sin embargo si tenemos en cuenta los límites de la plataforma continental en lugar de las propias costas, es ajuste es más evidente.

• Pruebas geológicas: se observa que las grandes cadenas montañosas como los Apalaches norteamericanos y las Caledonias (entre Escocia a Noruega) que se continúan entre sí en los diferentes continentes, lo que indica que en algún momento fueron una única gran cordillera que en la actualidad aparece separadas. Lo mismo ocurre con las Mauritánides, en el norte de África, .

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• Pruebas paleoclimaticas: Las tillitas son un tipo de depósitos sedimentarios que se originan en el clima glaciar. En la actualidad aparecen dispersos en diferentes continentes, pero si estos se colocan uniendo sus costas, se ve como  se disponían lo que serían las zonas polares en un pasado remoto.

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• Pruebas paleontologicas: fósiles de diferentes especies animales y vegetales aparecen en diferentes continentes en los mismos momentos, lo que parece indicar que en ese momento los continentes estuvieron juntos. Un ejemplo serían algunas especies asociadas a ríos de una antigua región, hoy separada en Sudamérica y Sudáfrica.

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Aunque las observaciones de Wegener son consistentes, lo cierto es que su teoría fue ridiculizada en su época fundamentalmente porque dado que Wegener desconocía la existencia de las placas litosféricas y afirmaba que los continentes se desplazaban sobre los fondos oceánicos, pero no podía explicar la causa de los desplazamientos. Además cuándo se analizaron los fondos oceánicos, no se encontraron pruebas del arrastre de los continentes, lo que llevo a rebatir la teoría de la deriva continental.

No sería hasta el desarrollo de las nuevas tecnologías de exploración de los fondos oceánicos, tales como el radar o el sonar, cuando se pueden encontrar evidencias de que la geosfera sí que es dinámica, describiéndose adecuadamente las diferentes estructuras:

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• Los márgenes continentales: son las zonas sumergidas que bordean los continentes y presentan dos zonas.
• La plataforma continental es la parte sumergida del continente, que aún estando bajo el agua se considera corteza continental y alcanza una profundidad media de 200 metros, presentando una suave pendiente.
• El talud continental en la zona de transición entre las cortezas continental y oceánica y se encuentra a unos 4000 metros de profundidad. tiene una pendiente muy pronunciada de los cañones submarinos por los que se deslizan corrientes de sedimentos
• Las llanuras abisales son grandes planicies que ocupan la mayor parte de los fondos oceánicos, con una profundidad entre 2000 y 5000 metros. Se encuentran salpicadas de volcanes y montes submarinos, con depresiones estrechas y alargadas llamadas fosas oceánicas. La mayor de estas fosas es la llamada Fosa de las Marianas con cerca de 11 km de profundidad.

Documental Fosa de las Marianas

• Las dorsales son elevaciones montañosas de 2000 o 3000 metros de altura. Tienen un origen volcánico y recorren grandes extensiones sobre las llanuras abisales. Tienen una depresión central denominada rift, así como una serie de fracturas transversales a dicho eje que las dividen en segmentos.

Pruebas de la expansión oceánica

La litosfera oceánica se crea y se destruye de manera continuada mediante dos procesos:

• Las dorsales son fisuras en la litosfera por las que emerge el magma a través de su rift y se extiende a ambos lados de la dorsal enfriándose y creando así nueva litosfera oceánica
• En las fosas oceánicas la litosfera oceánica subduce y se destruye, fundiéndose con el manto

Las pruebas de que esto es así nos las aportan una serie de observaciones en su composición, edad...

• Los ejes de las dorsales oceánicas presentan alineaciones de volcanes submarinos
• Las rocas de la litosfera oceánica son mas jóvenes que las de la litosfera continental (200 millones de años frente 4500 millones de años)
• A ambos lados de la dorsal las rocas presentan edades simétricas, siendo mas jóvenes en el centro de la dorsal y mas antiguas mientras más nos alejamos de ella
• El magnetismo de las rocas a ambos lados de la dorsal es simétrico, al igual que la edad
• La acumulación de sedimentos es mayor mientras más nos alejamos de la dorsal

Teoría de la tectónica de placas

Esta teoría no solo explica el movimiento de los continentes, sino que pone de manifiesto el porqué ocurre. Fue aceptada en 1968, y afirma que durante miles de millones de años, la placas de las que está compuesta la corteza ha ido experimentando un lento pero continuo desplazamiento.

Información sacada de  Meteorología en Red 

Según la teoría de la tectónica de placas, la corteza terrestre está compuesta por numerosas placas que se mueven de forma continua. Estos bloques están apoyados en una capa de roca caliente y flexible. Recordando las capas de la Tierra podemos ver que en el manto superior existen unas corrientes de convección originadas por el cambio de densidad de materiales. El movimiento se debe a que continuamente está formándose nuevo material procedente del manto. Este material se crea en la corteza oceánica. De esta forma, el nuevo material ejerce una fuerza sobre el ya existente y provoca el desplazamiento de los continentes. Esta corteza tiene un ritmo de crecimiento muy lento. Tan lento que tan sólo crece uno o dos kilómetros al año. Sin embargo, este continuo crecimiento hace que se destruya la corteza en las zonas de trincheras oceánicas y se formen las colisiones entre continentes. 

Todas estas acciones modifican el relieve de la Tierra. Gracias a estas colisiones y movimientos de las placas se han podido crear numerosos mares y océanos y enormes cadenas montañosas como el Himalaya.