Facultad: Ingeniería Agrícola - I Semestre Curso: Geología Año: 2013-I

Capitulo 3

III. LA TIERRA

1. INTRODUCCIÓNEs el tercer planeta del sistema solar, el más denso de todos los demás planetas conocidos y es donde nosotros existimos (presencia de vida).

Si dividimos la masa de la Tierra entre su volumen, obtendremos la densidad de 5,5; ya que las rocas de la superficie terrestre tienen densidades comprendidas entre 2,5 a 3; entonces, es obvio que las rocas infra yacentes tienen densidades mayores.

2. CARACTERÍSTICAS DEL PLANETA TIERRA Forma: Geoide (ligeramente aplanada en los polos y achatada en el Ecuador). Superficie: Cubierto aproximadamente por 70% de agua (5-6% de agua congelada) y 30%

de continente con escasos cráteres meteoríticos. Circunferencia ecuatorial: 40.075.014 m Circunferencia polar: 40.007.832 m Diámetro ecuatorial: 12 756 Km. Diámetro polar: 12 735 Km. Período de rotación sobre su eje: 24 horas. Período orbital (traslación): 1 año. Satélites: 1 (la luna que provoca mareas). Distancia media al sol: 150 millones de Km. Densidad: 5,5 (agua =1). Más denso que los planetas conocidos. Edad: Aproximadamente 4 600 millones de años. Vida: Comenzó aproximadamente hace 4 000 millones de años. Área superficial: Aproximadamente 804 000 000 Km2. Volumen: Aproximadamente 1 024 billones de Km3. Masa: Aproximadamente 6 500 trillones de toneladas.

3. ENVOLTURAS DE LA TIERRA

a) LA ATMÓSFERA.- Conformado principalmente por oxígeno y nitrógeno, en donde la tropósfera mide hasta los 16 Km en promedio, la estratósfera hasta los 55 Km, y finalmente viene la ionósfera.

b) LA LITÓSFERA.- Es la parte dura y sólida que forma a la superficie de la Tierra, constituido por rocas, minerales y sus variedades.

c) LA HIDRÓSFERA.- Parte líquida del planeta, constituida básicamente por el agua contenida en océanos, mares, lagos, ríos, glaciares, aguas subterráneas.

d) LA BIÓSFERA.- Toda la vida existente sobre el planeta, incluye plantas y animales.

4. ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA

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Varias pruebas indican que el interior de la Tierra es variable, consisten de zonas concéntricas que difieren en su composición, densidad, elasticidad y tal vez estado físico. El comportamiento de las ondas sísmicas demuestra claramente que la Tierra está zonada.

Las ondas sísmicas cambian de velocidad de acuerdo al material que atraviesan y son reflejadas o refractadas en los límites de las diferentes zonas; a este fenómeno se llama DISCONTINUIDADES SÍSMICAS.

Por tanto, el conocimiento del interior de la Tierra sólo es posible por medios indirectos tales como el estudio e interpretación del comportamiento de las ondas sísmicas, y en menor grado, de los meteoritos que llegan a nuestro planeta.

Se han diseñado dos modelos geológicos que establecen una división de la estructura terrestre:

1) MODELO GEOSTÁTICO: Corteza . Es la capa más superficial de la Tierra y constituye únicamente el 1% de su

masa, pero existen el 98% de los conocimientos directos existentes acerca del planeta. Tiene un espesor que varía entre los 10 km, en los océanos (puede llegar hasta los 0 Km), hasta los 70 km en cratones (porciones más antiguas de los núcleos continentales). El promedio del grosor de la Corteza es de más o menos 32 m, separada del manto por la discontinuidad de Mohorovicic o Moho solamente. Representa solamente el 1% del volumen total de la Tierra y una densidad promedio de 2,9.

La corteza superior está compuesta por sedimentos y una capa llamada SIAL (silicatos de aluminio) semejante a los granitos en los continentes. Mientras que la corteza inferior está compuesta por una capa llamada SIMA (silicatos de magnesio) semejante a los basaltos en las cuencas oceánicas. Ambas capas o cortezas están separadas por la discontinuidad de Conrad.

Manto . Es una capa intermedia entre la corteza y el núcleo que llega hasta una profundidad de 2900 km. El manto está compuesto por peridotita. El cambio de la corteza al manto está determinado por la discontinuidad de Mohorovicic. El manto se divide a su vez en manto superior o externo, de densidad 3,3 g/cm3, compuesta de rocas ultrabásicas o ultramáficas como las peridotitas, extendiéndose hasta una profundidad de 700 Km, donde se presenta la discontinuidad de Repetti que los separa del manto inferior o interno de densidad 5,5 g/cm3, compuesta de variedades polimorfas de silicatos densos o por óxidos densos como la pallasita.

Las ondas sísmicas cambian bruscamente su velocidad y dirección en la parte superior del manto, determinando la discontinuidad de Moho, que lo separa de la corteza, y en la

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parte inferior a la profundidad de 2 900 Km, se presenta la discontinuidad de Gutenberg. Wiechert, que lo separa del núcleo.El manto constituye el 83% el volumen y el 68% de la masa. Es la región de donde proceden la energía y las fuerzas responsables de la expansión de los fondos marinos, la deriva de los continentes, la orogénesis y los terremotos mayores.

Núcleo : Es la capa más profunda del planeta y tiene un espesor de 3475 km. El cambio del manto al núcleo está determinado por la discontinuidad de Gutenberg (2900 km).

El núcleo está compuesto de una aleación de hierro y níquel, representa un 16% de su volumen, y es en esta parte donde se genera el campo magnético terrestre. Éste se subdivide a su vez en el núcleo interno (o nucléolo), el cual es sólido con una densidad de 13,3 y el núcleo externo, que es líquido con una densidad de 12,3. El núcleo interno está a su vez dividido en dos, externo (líquido) e interno (sólido, debido a las condiciones de presión). Esta división se produce en la discontinuidad de Wiechert-Lehman-Jeffreys (5150 km). Tiene una temperatura de entre 4000 y 5000 °C

2) MODELO GEODINAMICO: Litosfera . Es la parte más superficial que se comporta de manera elástica. Tiene un

espesor de 250 km y abarca la corteza y la porción superior del manto. Astenosfera . Es la porción del manto que se comporta de manera fluida. En esta capa

las ondas sísmicas disminuyen su velocidad. Mesosfera . También llamada manto inferior. Comienza a los 700 km de profundidad,

donde los minerales se vuelven más densos sin cambiar su composición química. Está formada por rocas calientes y sólidas, pero con cierta plasticidad.

Capa D . Se trata de una zona de transición entre la mesosfera y la endosfera. Aquí las rocas pueden calentarse mucho y subir a la litosfera, pudiendo desembocar en un volcán.

Endosfera . Corresponde al núcleo del modelo geoestático. Formada por una capa externa muy fundida donde se producen corrientes o flujos y otra interna, sólida y muy densa.

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CORTEZA SUPERIOR: Hasta + ò – 400ºC, corteza SIAL, δ=2.9CORTEZA INFERIOR: Hasta + ò – 1000ºC, corteza SIMA, δ=2.9

MANTO SUPERIOR: 1500 -2000ºC, zona de peridotitas (Mg, O, Si): eglogitas, kimberlitas y/o dunitas; δ=3.3. Astenòsfera.

MANTO INFERIOR: 2000 – 2700ºC, Zona de pallasita (piroxenos, granates, olivino, espinela, ilmenita, periclasas), δ=5,5

NUCLEO EXTERNO: Estado lìquido o coloidal (Fe, Ni, etc.), Corrientes de convecciòn (campo magnètico de la Tierra, δ=12.3.

NUCLEO INTERNO: Estado sòlido, compuesto por S, Fe, Ni, Co y otros silicatos. δ =13.3.

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SUPERFICIE TERRESTRE 0.00 Km

32.00 Km

700.00 Km

2 900.00 Km

5 150.00 Km

6 370.00 Km

5. COMPOSICIÓN GEOQUÍMICA DE LA TIERRA

La composición total de la Tierra puede ser calculada, puesto que los tamaños de las zonas son conocidos por los datos sísmicos. Hay en general un acuerdo en que la Tierra está compuesto de: oxígeno, hierro, silicio, magnesio, calcio, aluminio, sodio cromo, manganeso, fósforo, potasio, titanio, níquel, cobalto, azufre.

En la composición elemental de la Corteza Terrestre, sabemos que está constituido de rocas y la mayoría de éstos son agregados minerales. Sólo unos cuantos del centenar de elementos químicos conocidos tienen importancia como elementos dominantes en la constitución de la Corteza. Muchos otros, tales como el oro, estaño, cobre, plata, etc.; aunque sumamente raros en las rocas ordinarias, están concentrados localmente en depósitos metalíferos que pueden ser explotados con provecho.

COMPOSICIÒN MEDIA DE LAS ROCAS CORTICALESEXPRESADA EN ELEMENTOS QUÌMICOS EXPRESADA EN ÒXIDOS

NOMBRE PORCENTAJE % ÒXIDOS PORCENTALE %OxigenoSilicioAluminioHierroCalcioSodioPotasioMagnesioTitanioHidrogenoOtros

46.7127.698.075.053.632.752.582.080.620.140.66

SíliceAlúminaOxido de HierroCalSosaPotasaMagnesioOxido de TitanioAguaOtros----

59.0715.228.815.103.713.113.451.031.301.20----

TOTAL 100.00% TOTAL 100.00%

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DISCONTINUIDAD DE CONRAD

DISCONTINUIDAD DE MOHO

DISCONTINUIDAD DE REPETTI

DISCONT. DE GUTEMBERT

DISCONT. DE LEEHMANN

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6. EL CAMPO GRAVITACIÓNAL DE LA TIERRA

6.1. INTRODUCCIÓNLa gravedad es denominada también fuerza gravitatoria, fuerza de gravedad, interacción gravitatoria o gravitación, es la fuerza teórica de atracción que experimentan entre sí los objetos con masa.

Tiene relación con la fuerza que se conoce como peso. El peso es la fuerza con que es atraído cualquier objeto por la masa de la Tierra. Se aprovecha esta fuerza para medir la masa de los objetos con bastante precisión, por medio de básculas de pesas. La precisión alcanzada al pesar se debe a que la fuerza de gravedad que existe entre la Tierra y los objetos de su superficie es similar en cualquier lugar que esté a la misma distancia del centro terrestre; aunque disminuirá si se alejan, tanto de la pesa como del objeto a pesar.

En otros planetas o satélites, el peso de los objetos varía si la masa de los planetas o satélites es diferente (mayor o menor) a la masa de la Tierra.

Los efectos de la gravedad son siempre atractivos, y la fuerza resultante se calcula respecto del centro de gravedad de ambos objetos (en el caso de la Tierra, el centro de gravedad es su centro de masas, al igual que en la mayoría de los cuerpos celestes de características homogéneas).

La gravedad tiene un alcance teórico infinito, sin embargo, la fuerza es mayor si los objetos están cerca uno del otro, y mientras se van alejando dicha fuerza pierde intensidad. La pérdida de intensidad de esta fuerza es proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Por ejemplo, si se aleja un objeto de otro al doble de distancia, entonces la fuerza de gravedad será la cuarta parte.

Se trata de una de las cuatro fuerzas fundamentales observadas en la naturaleza, siendo la responsable de los movimientos a gran escala que se observan en el Universo: La órbita de la Luna alrededor de la Tierra, la órbita de los planetas alrededor del Sol, etcétera.

El enunciado de la Ley de Gravitación de Isaac Newton (1966) es que existe una fuerza de atracción entre dos cuerpos cualesquiera, que es directamente proporcional al producto de sus masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa (entre sus centros de gravedad).

Donde: F=Fuerza de gravedad y G=Constante Universal de Gravitación (6,67x10-11Nm2Kg-2).

6.2. VARIACIÓN DE INTENSIDAD DE LA GRAVEDADLas variaciones de la intensidad de la gravedad entre dos puntos en la superficie terrestre pueden ser atribuidas a diversas causas:

LATITUD.- Por efectos de la fuerza centrífuga originada por el movimiento de rotación de la Tierra, disminuyendo desde un máximo en el Ecuador hasta los polos; También varía al ser el radio menor en los polos, la atracción allí será mayor hacia el centro de la Tierra que en latitudes más bajas. Por tanto, la gravedad aumenta gradualmente con la latitud.

ALTITUD.- La diferencia de altura entre dos puntos hace que la gravedad varíe con la distancia al centro de la Tierra. Por tanto, la gravedad decrece al incrementarse la altura sobre la superficie de la Tierra.

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ESTRUCTURA GEOLÒGICA.- Las diferentes densidades de los materiales que constituyen la Corteza hace que varíe la gravedad.

TOPOGRAFÌA.- Las elevaciones y las depresiones producen variaciones de la gravedad.

6.3. ISOSTACIALa interpretación de las anomalías gravitatorias puede ser descrita en términos de masa, mejor que en términos de densidad. Ocupando el mismo volumen, una región de baja densidad poseerá menos masa e inversamente una región con densidad alta poseerá una masa mayor; por lo tanto, la gravedad anormalmente bajo en un punto indica que bajo ese punto hay una deficiencia de masa y una gravedad anormalmente alto implica un exceso de masa.

En consecuencia, en la interpretación de las anomalías gravitatorias el factor básico es el siguiente: una anomalía negativa indica una región con deficiencia de masa (baja densidad) y una anomalía positiva indica una región con exceso de masa (alta densidad). Este es un ejemplo del principio de la isostasia, “que es el correspondiente estado de equilibrio que existe entre los extensos bloques de la corteza terrestre” y se manifiesta en forma de cordilleras, mesetas o llanuras.

Al observar las montañas, se llega al desarrollo del principio de la isostasia, que dice: “la carga extra debida o existente en las cadenas montañosas se compensa a profundidad por la existencia de materiales ligeros, es decir, las montañas poseen raíces”. En tal razón, se postula que el material a profundidad puede fluir y mantenerse en equilibrio hidrostático en algún nivel del interior que se denomina normalmente como la profundidad de compensación o nivel isopièstico. Al material existente por debajo de este nivel se le denominaría astenòsfera y al material situado por encima litósfera, más rígida.

7. EL MAGNETISMO TERRESTRE

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

También el magnetismo tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la onda electromagnética, como, por ejemplo, la luz.

El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica.

La Tierra actúa como enorme imán que genera un campo magnético que por la estructura de las líneas de fuerza, se aproxima al campo del llamado dipolo, imán elemental con polos infinitamente cercanos, situados en el centro de la esfera terrestre.

En el Polo Norte Magnético, el extremo de la aguja magnética apunta verticalmente hacia abajo. En el Polo Sur Magnético, la

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aguja apunta directamente hacia el cielo. Entre los dos polos magnéticos, la aguja adopta posiciones intermedias; a la mitad de las distancias entre los dos polos, permanece horizontal y señala el Ecuador magnético. En este lugar la intensidad del magnetismo es mínima, pero aumenta hacia los polos, donde el campo magnético es dos veces más fuerte que en el Ecuador.

Los polos norte y sur magnéticos no coinciden con los polos norte y sur geográficos. La aguja imantada diverge mayormente de los verdaderos polos geográficos. El ángulo de divergencia entre un meridiano geográfico y un meridiano magnético es lo que se llama DECLINACIÒN MAGNÈTICA y se le mide al este o al oeste del norte geográfico. El ángulo que forma la aguja magnética con relación a la superficie de la Tierra se llama inclinación magnética.

Las líneas de fuerza producidas por un imán, ya sea de barra o de herradura, se esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur. A la zona que rodea a un imán y en el cual se influencia puede detectarse recibe el nombre de campo magnético. Cuando un polo norte se encuentra cerca de uno sur, las líneas de fuerza se dirigen del norte al sur; cuando se acercan dos polos iguales, las líneas de cada uno se alejan de las del otro. Esto indica la ley de: " Polos opuestos se atraen, polos iguales se repelan".

Hemos dicho que el campo magnético está formado por un dipolo ubicado en el centro de la Tierra y se inclina en dirección del eje de rotación, y también se constituye el campo no dipolo.

La porción externa del campo se debe, en gran parte a la actividad del Sol, esta actividad afecta a la ionósfera y parece explicar las tormentas magnéticas y de las auroras boreales.

Los estudios geofísicos han demostrado la existencia de minerales magnéticos en la corteza y un componente principal de hierro en el núcleo. Por tanto, el magnetismo terrestre se ubica en el centro y no se debe a masas permanentemente magnetizadas.

La teoría del magnetismo terrestre que tiene más aceptación hoy es la de que el núcleo de la Tierra actúa como dínamo que se auto excita. En el modelo, se considera que la parte externa del núcleo es un fluido principalmente compuesto de hierro, por lo tanto, este núcleo es un excelente conductor de corrientes eléctricas y se encuentra en un estado físico en el que los movimientos pueden producirse fácilmente. Se supone que se generan corrientes electromagnéticas que después son amplificadas por movimientos dentro del líquido conductor de las corrientes de convección, derivadas éstas a su vez por las diferencias de temperaturas.

El magnetismo remanente natural en los minerales de las rocas puede concordar o no con la orientación actual del campo magnético terrestre y puede haber sido adquirido por las rocas de diversas maneras.

Cuando el material en estado de fusión se enfría, los minerales comienzan a cristalizarse y aquellos que son susceptibles magnéticamente contraen el magnetismo permanente a medida que se enfrían y siguen la orientación del campo magnético en el momento de la cristalización. Basado en ello, se ha determinado que los polos están en constante movimiento a través del tiempo geológico (migración de los polos magnéticos). A su vez se ha determinado que las líneas de fuerza que hoy salen del polo sur magnético e ingresan por el

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polo norte magnético, en tiempos pasados salían del polo norte e ingresaban por el polo sur, lo que constituye la llamada inversión de la polaridad.

La magnetósfera que es el campo que envuelve a la Tierra, realiza un gran servicio a la vida en el planeta, atrapando, seleccionando y desviando las diversas partículas o radiaciones que llegan del espacio, principalmente del Sol, en forma de electrones y núcleos de átomos ionizados de alta energía, principalmente de hidrógeno.

8. EL CALOR TERRESTRE

El estudio de los procesos térmicos de la Tierra es parte de la geofísica, pues el calor forma parte de todas las teorías sobre el origen y desarrollo de los rasgos distintivos, tanto internos como externos de la Tierra. Por ejemplo, las deformaciones de la corteza fueron atribuidas a la contracción de la Tierra en proceso de enfriamiento. Los efectos de las corrientes de convección en el manto terrestre generan la deriva continental. Generalmente se atribuye el origen del campo geomagnético a la convección térmica en el núcleo exterior líquido. Si hablamos a pequeña escala, veremos que procesos como la acción volcánica están relacionados con el calor.

Al estudiar el comportamiento térmico de la Tierra, se intenta determinar como varía la temperatura con la profundidad, la que no puede ser medida en forma directa, sino por medios geofísicos indirectos como la sísmica.

Esta variación de la temperatura con la profundidad es el gradiente de temperatura. En general se considera que la temperatura crece con la profundidad. Este gradiente de temperatura varía de un lugar a otro en la superficie de la Tierra, dependiendo de varios factores, a saber: conductividad térmica de las rocas, área, flujo de calor, entre otros. Con estos parámetros y entendiendo que la influencia de la temperatura externa proveniente del Sol en la corteza es menor a medida que se profundiza a partir de la superficie hasta llegar a cierto nivel denominado “nivel neutro” o “zona de temperaturas constantes”, que se encuentra desde 2m hasta 40m de profundidad, dependiendo de factores como el clima, composición y

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características térmicas de las rocas, contenido de agua, etc. Por debajo de este nivel la temperatura aumenta con la profundidad, aunque no de manera uniforma.

Se conoce con el nombre de GRADO GEOTÉRMICO a la cantidad de metros que hay que profundizar para que la temperatura se incremente en 1ºC. Mientras que el GRADIENTE GEOTÉRMICO es la cantidad de grados que aumenta la temperatura al profundizar 100m. Estas dos magnitudes están en una relación inversa, pues si aumenta el grado disminuye el gradiente y viceversa.

Para regiones extensas se ha estimado que el gradiente geotérmico es de 3ºC por cada 100m de profundidad (generalizando). Estos valores no se pueden extrapolar hasta el centro de la Tierra (6 371 km) pues se obtendrían valores fantásticos del orden de los 200 000ºC, temperatura en cual la Tierra sería una bola incandescente.

La mayoría de los geofísicos admiten que la temperatura interna de la Tierra, alcanza un máximo de 4 000 – 5 000 ºC, por lo que el gradiente geotérmico disminuye con la profundidad.

Los valores del grado y gradiente geotérmico de una región determinada pueden ser afectados por factores locales, tales como: conductibilidad térmica de las rocas, tipo de reacciones y procesos que se produzcan en las rocas de la zona, la proximidad de masas magmáticas, las concentraciones de elementos radiactivos en las rocas, etc.

El origen del calor interno de la Tierra se supone que podría deberse a flujos por conducción desde su interior, basado en un origen caliente seguido de un enfriamiento desde las zonas externas hacia el interior. Sin embargo, hoy generalmente se piensa que es más probable un origen frío, habiendo sido subsecuentemente calentada como consecuencia de la radioactividad, principalmente del uranio, torio y el potasio, cuyas desintegraciones liberan grandes cantidades de calor.

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