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Tema 2B – Estructura y composición de la tierra. Los métodos de estudio

1. La forma de la Tierra.

1.1. Elipsoide de referencia.

1.2. Geoide

2. Métodos de Estudio

2.1. Directos

2.1.1. Sondeos 13km

2.1.2. Volcanes (kimberlitas 450km)

2.2. Indirectos

2.2.1. Meteoritos

2.2.2. Experimentos Laboratorio

2.2.3. Densidad

2.2.4. Geofísicos Geotermia

2.2.5. Geofísicos Anomalías Magnéticas,

2.2.6. Geofísicos Anomalías Gravimétricas

2.2.7. Geofísicos Sísmica

3. Estructura y composición interna de la Tierra.

Modelo Geoquímico

Modelo Dinámico

4. Variaciones de las propiedades físico-químicas

4.1. Temperatura

4.2. Presión

4.3. Densidad.

5. Composición de las capas internas de la Tierra

5.1. Corteza dif. Litosfera

C. Continental: Verticalmente

Horizontalmente

C. Oceánica: Verticalmente

Horizontalmente

5.2. Manto

5.2.1. M Litosférico

5.2.2. M Astenosférico

5.3. Núcleo.

5.3.1. N. Externo

5.3.2. N. Interno


1. La forma de la Tierra. Geoide y elipsoide.

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Para hacer cálculos sencillos y aproximados, es conveniente pensar que la Tierra es una esfera. Realmente es ligeramente achatada en los polos y abultada en el Ecuador, con el hemisferio sur un poco más voluminoso que el norte, y con la rugosidad propia que le da el relieve del terreno.

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Observaciones detalladas mediante técnicas modernas indicarían una forma de pera, como muestra la siguiente figura adaptada de [Seeber, 1993].

A esta forma general hay que agregarle la correspondiente a la orografía de la superficie terrestre que es muy compleja, la altura de la montaña más alta Everest, es de 8,844 Km [Wikipedia, 2006d]. y Fosa de las Marianas 11,012 km, representan <0,15% del radio medio los 6375 Km, por lo que lo más razonable es trabajar con aproximaciones

1.1. El elipsoide

Lo más práctico considerar la forma un elipsoide, despreciando corrección por topografía, simplifica los cálculos de coordenadas en el plano: Latitud y Longitud.

Existen diferentes modelos de elipsoides utilizados en geodesia, denominados elipsoides de referencia. Las diferencias entre éstos vienen dadas por los valores asignados a sus parámetros más importantes:

  • Semieje ecuatorial (clip_image006) o Semieje mayor: Longitud del semieje correspondiente al ecuador, desde el centro de masas de la Tierra hasta la superficie terrestre.
  • clip_image008Semieje polar (clip_image010) o Semieje menor: Longitud del semieje desde el centro de masas de la Tierra hasta uno de los polos.

Relación entre el eje ecuatorial y el polar:

Los elipsoides utilizados más comúnmente;

  • WGS 84, departamento de defensa USA, el utilizado por el GPS
  • ED50 mas empleado en EUROPA, para coordenadas locales.
  • SGS 85
  • South American 1969

1.2. El Geoide

Para medir altitudes el elipsoide no es una aproximación adecuada, como la Tierra está cubierta por océanos (70,8 %), la superficie de referencia por excelencia para medir altitudes es el nivel medio del mar. Que para estar en equilibro gravitatorio tiende a seguir una superficie gravitatoria equipotencial.

Es por esto que se introduce una nueva figura llamada Geoide, definida como: La superficie equipotencial del campo gravitatorio de la Tierra que mejor se ajusta (en el sentido de mínimos cuadrados), al nivel medio global del mar . El geoide es siempre perpendicular al vector de gravedad local en cada punto.

clip_image012La figura (adaptada de [Seeber, 1993]) compara el geoide y el elipsoide:

Es fácil asociar el geoide al nivel medio del mar en las zonas oceánicas. Esto se muestra en la figura, donde se grafica la diferencia vertical entre geoide y elipsoide y pueden apreciarse diferencias de hasta 150 m. Sobre los continentes se toman medidas cuidadosas para extender el concepto a las zonas secas.

La densidad varía: La media en la tierra 5,5 con diferencias entre Materiales de la Corteza: Agua 1,030 g/cc, Sedimentos 2,0 -2,5 g/cc; Granito 2,5-2,8, Basaltos 2,7-3,1 Peridotitas 3,3-3,4 g/cc Manto 3,5 a 5,5 g/cc Núcleo 11 g/cc.

2. Métodos de estudio del interior terrestre

Históricamente sólo había observaciones directas. Hoy en día hay observaciones apoyadas en rigurosos cálculos matemáticos, físicos y químicos. Se puede acceder al conocimiento de los materiales a través de Métodos directos e Indirectos:

· Métodos Directos : – Sondeos

– Materiales arrojados por volcanes

· Métodos Indirectos: – Meteoritos

– Métodos de Laboratorio

– Densidad terrestre

– Geofísicos: = Geotermia

= Anomalías Gravimétricas

= Anomalías Magnéticas

= Sísmico

2.1. Métodos de estudio directos

· Sondeos Mecánicos

Son perforaciones verticales (inclinadas o dirigidas) realizadas desde la superficie para acceder a los materiales del subsuelo, para el estudio de la composición de la Tierra dada su escala son poco significativos debido a su escaso alcance (aunque el sondeo Koala en Siberia alcanzó los 13Km donde se situaba la discontinuidad de Mohorovicic) aunque si sirve para determinar la composición de la litosfera.

· Materiales volcánicos

Los volcanes arrojan materiales basálticos de procedencia de hasta centenares de Km, su composición nos da idea de la composición de la zona procedencia ya que su rápido ascenso no permite evolución, dan idea de las capas más profundas de la corteza así como del manto (aunque es un magma diferenciado no original). Pueden arrastras inclusiones de las rocas encajantes. Las kimberlitas son rocas procedentes de erupciones profundas de hasta 400km. Su morfología se asemeja a una zanahoria, con una chimenea que conecta la zona profunda con la superficial.

2.2. Métodos de estudio indirectos

· Meteoritos

Cuerpos rocosos celestes de pequeño tamaño atrapados por el campo gravitatorio terrestre y que caen en la superficie.

Tiene un origen similar a los planetesimales al igual que la Tierra y algunos (sideritos) tienen una composición rica en Fe y Ni; otros Piroxénicos y olivínicos como la composición del manto.

· Experimentos de Laboratorio

Se basa en someter a los materiales con composición similar a cada capa de la tierra a condiciones de P y Tª tan altas como las de las diferentes ambientes en las denominadas celdillas de yunque de diamate. Se pueden observar cambios en la densidad, estado físico y composición y pueden ser comparados con los datos obtenidos por otros métodos.

· Densidad terrestre.

El valor medio 5,52g/cc (volumen por geodesia y masa por la aceleración de la gravedad), como es muy superior a la de las rocas corticales (granito 2,7, peridotitas 3,3…) implica que en el interior la densidad debe ser muy superior.

· Geofísico Geotermia

La Tª superficial se debe a radiación solar + energía desprendida por la tierra flujo térmico. El gradiente geotérmico es el incremento de la Tª en profundidad el promedio 1º cada 30m. (puede varias de 1/100m en cratones) no es constante en profundidad entre los 1000 y 2000m prácticamente no ay gradiente. Se manifiesta en multitud de focos superficiales (geiser, volcanes, etc..). El origen de esta fuente calorífica se atribuye a:

– Calor residual de formación (implicaría un enfriamiento progresivo)

– Descomposición de isótopos radiactivos de las capas profundas.

· Geofísico Anomalías magnéticas

EL campo magnético terrestre es un dipolo imán N/S, de polaridad invertidas y no son coincidentes (deriva) respecto a los polos geográficos.

Su intensidad es de 0,6 Gauss en polos y 0,3 G en ecuador. Su existencia implica una imantación inducida superpuesta a la permanente (la del campo magnético terrestre) y correspondería a la intensidad del campo magnético en el momento de cristalización de los minerales de esa roca (por debajo del punto de Curie, donde los paramagnéticos se transforma en ferromagnéticos) esta inmantación aunque modificable es bastante estable por lo que arroja información sobre la variación del campo a lo largo de la historia.

· Geofísico Anomalías gravitatorias

La gravedad media en la tierra es de 9,78 m/s2, superficialmente varía en función a la distancia del centro de la tierra o por la cantidad de masa o densidad hasta el centro.

Si corregidos los efectos latitudinales, de altitud y de Bouguer se obtendrán valores teóricos cuya diferencia con los medidos darán lugar a las anomalías residuales (indirectamente aportarán información de densidad y masa) entre el punto de medición y el centro de la tierra.

clip_image014Positivas: g superior al teórico (fondos marinos)

Negativas: g inferior al teórico (cordilleras)

Isostasia: equilibrio de bloques los menos densos se elevan topográficamente y enraízan (flotan) en manto más denso las zonas d anomalía no cumplen estas reglas.

· Geofísico Sísmica

Basado en el hecho de que los materiales de diferente naturaleza y composición (densidad) transiten las ondas sísmicas (elásticas) con diferentes velocidades.

Las ondas sísmicas elásticas experimentan reflexiones y refracciones al pasar de un medio con unas características a otro con características diferentes.

Tres tipos de ondas. Internas P Primarias o longitudinales

S Secundarias o transversales

Superficiales L Largas lentas.

clip_image016P primarias. Las de mayor velocidad por eso llegan primero (primarias) vibran en el sentido del desplazamiento, su velocidad de transmisión es directamente proporcional al coef. de rigidez (μ) y compresibilidad (k) e inversamente a la densidad (ρ) del material. Pueden atravesar fluidos, K>0 siempre.

clip_image017S secundarias. o transversales, a menor velocidad vibran transversalmente a su desplazamiento. No se transmiten en fluidos, ya que coef. de rigidez (μ) sería cero

L largas o longitudinales: Superficiales son más lentas que las internas se desplazan en todas las direcciones desde el epicentro (punto superficial correspondiente al hipocentro punto donde se produce el seísmo). Y las que más intensidad vibratoria tienen produciendo los mayores daños en terremotos. Se dividen en Rayleg (orbitales) y Love (transversales)

Sólo las internas (P y S) son de interés para el estudio del interior de la Tierra. Observando las llegas desde dos puntos distintos de la superficie terrestre tenemos diferentes tiempos de llegada se observan cambios bruscos en las velocidades, que suponen la existencia de superficies d discontinuidad sísmica en el interior de la tierra, esta observación nos permite distinguir 5 discontinuidades terrestre divididas en 2 grandes grupos.

1) Primer orden, variaciones de gran magnitud equivalen a grades cambios en la naturaleza de los materiales.

Mohorovicic (5-10km océanos y 40-70km continentes), aumento brusco de la velocidad P y S indica paso a materiales de mayor velocidad

Gutenberg (2900km) cambio brusco disminución notable en ondas P y perdida de transmisión de la ondas S, indica paso a un material menos denso y con coeficiente de rigidez = 0 (fluido).

2) Segundo Orden cambios de menor magnitud en velocidad cambios menos acusados

Conrad, (15km) sólo bajo continentes es un ligero aumento de la velocidad.

Repetti, (800km) estabilización en el ritmo de aumento de la velocidad

Leheman (5100km) aumento importante en velocidad de las P.

Con las discontinuidades obtendremos la siguiente división estructural (modelo estático):

1) Primer orden Corteza (MOHOROVICIC) Manto (GUTEMBERG) Núcleo.

2) Segundo Orden: Corteza superior (Conrad) corteza inferior (MOHOROVICIC) manto superior (Rippeti) manto inferior (GUTENBERG) Núcleo exterior (Lehman) Núcleo interno.

clip_image019Este es un modelo (dinámico) estructural basado en la reología (densidad y rigidez) de materiales. Podemos deducir la naturaleza fluida del núcleo externo así como la existencia de un canal de baja velocidad entre los 100 y 250km atribuible a la disminución de rigidez (sin llegar a fluido) este canal equivaldría a la astenosfera como capa semifundida sobre la que se puede mover la litosfera rígida (corteza y parte sup. del manto), bajo la astenosfera encontraremos la mesosfera resto del manto y el núcleo se denominaría endosfera.

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3. Estructura y composición

Sobre todo a través de los estudios geofísicos se han establecido dos modelos estructurales del interior de la tierra uno basado las discontinuidades sísmicas denominado modelo geoquímico o estático otro basado en estado físico y reología de los materiales que permite explicar el funcionamiento dinámico litosfera-astenosfera al que se ha denominado modelo dinámico.

Litosfera (0@75/100km) comprende toda la corteza más una parte de manto superior (unos 50km más) forma una gran unidad rígida que se mueve flotando sobre la astenosfera con características plásticas una buena parte del manto capa

Astenosfera nivel de naturaleza plástica del manto superior con límites imprecisos (100@350km) el superior muy variable, bastante superficial en dorsales y más profundo en cordilleras, el límite inferior confuso la mayoría de autores lo sitúan en la discontinuidad de Rippeti (350km).

Mesosfera Coincidente con el resto del manto hasta la discontinuidad de Gutenberg (2900km).

Endosfera Que coincide con el núcleo (externo e interno).

4. Variaciones de las propiedades físico-químicas en el interior de la Tierra

4.1.- Variación de la Tº con la profundidad

El gradiente geotérmico varía desde 1º /30m no se mantiene si fuese así alcanzaría miles (212mil) de grados en el centro, se ha comprobado que este gradiente va decreciendo en profundidad haciéndose mínimo en las capas interiores donde no debe ser superior a 3600º

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4.2.- Variación de la Presión con la profundidad

En la variación de presión hay mas acuerdo el gradiente es más o menos constante hasta la discontinuidad de Gutemberg donde se alcanzan 1000Kbrs y a partir de ahí aumentaría más rápidamente.

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4.3.- Variación de la densidad con la profundidad

La variación de densidad está valorada con modelos de respuesta de a las ondas S y P. La densidad aumenta de 2,7 a 14 en el centro de la tierra de una manera no gradual saltando considerablemente en la discontinuidad de Gutemberg donde aumenta de 5,6 a 9,4 g/cc

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5. Composición de las capas internas de la Tierra

5.1.- Composición y características de la corteza

La corteza es capa más superficial con espesor variable de 6 a 70km, su límite inferior es la discontinuidad de Mohorovicic, brusco descenso de velocidad de las ondas sísmicas.

Su composición media equivaldría a un mix de 2/3 granito + 1/3basalto, los elementos principales serán; O, Si, Al, Fe, Mg, K, Na y Ca. Con gran diferencia entre la continental y la oceánica:

  • Corteza Continental: potencia de 25-70 km

Verticalmente (no siempre aparecerían todas las capas):

o Capa sedimentaria. Sedimentos, R Sedimentarias y metamórficas, desarrollada en mayor o menor espesor (incluso ausente), afectados por deformación.

o Capa Granítica. Espesor promedio de 20km compuesta por rocas graníticas y metamórficas ácidas. (densidad 2,8 g/cc)

——– Transición gradual o brusca zona de transición de Conrad————

o Capa Basáltica. No supera los 20km composición basáltica y densidad 3 g/cc.

Horizontalmente podemos distinguir en:

o Cratones: zonas geotécnicamente estables sin capa sedimentaria o despreciable, se sitúa en la zona central de continentes y serían las más antiguas.

o Orógenos o cordilleras: zonas geotécnicamente activas escarpadas, capa sedimentaria bien desarrollada y deformada, habitualmente en zonas de borde continental o en la colisión de los mismos.

  • Corteza Oceánica: potencia media 10km y densidad 3g/cc.

Verticalmente:

o Capa 1 Sedimentos Blandos poco consolidados espesor mayor en bordes continentales e inesistente en zonas de dorsal oceánica.

o Capa 2 Basaltos submarinos, pilow-lavas superficiales y diques de basaltos mas inferiores (d=2,8g/cc).

o Capa 3 Rocas Plutónicas basálticas, gabros y piroxenitas por doiferenciación de magmas mantélicos (d=3,3g/cc)

Horizontalmente:

o Dorsales oceánicas: cordilleras con valle central Rift de miles de km de longitud.

o Fondos oceánicos: superficies llanas poco activas con distintos tipos de elevaciones: seamonts mesetas, guyots, volcanes e islas volcánicas).

o Fosas Oceánicas: depresiones estrechas y profundas (11km) en los bordes continentales.

5.2.- Composición y características del Manto

Es la capa del interior que se desarrolla desde la discontinuidad de Mohorovicic (6-70km) hasta la de Gutemberg (2900km), por lo que supone el 83% del volumen y por su elevada densidad el 83% de la masa. Rocas ultrabásicas peridotiticas (olivino+piroxeno).

  • Composicionalmente queda dividido (Ripetti) en:

o Manto superior; viscoso, densidad 3,5 g/cc composición ultrabásica peridotítica con piroxenos y olivino y de manera ocasional eclogitas (piroxeno+granate).

————-Discontinuidad de Rippeti (entre 200 y 700km)—————

o Manto inferior; densidad 5-6 g/cc, composición según experimentos de laboratorio, hasta 390 km el olivino pasa a espinela y a 700km perivskita y óxidos de Mg. No hay una diferenciación química con el M superior es más una diferenciación de polimorfos minerales

  • Dinámicamente se ha dividido en:

o Manto Litosférico, bajo el Moho con densidad de 3,3 g/cc peridotítico, está estratificado en capas:

      • Capa bajo el Moho 10km con velocidades ondas P Vp = 8,1Km/s
      • Canal de baja velocidad vp=7,8Km/s serpentinización de ultrabásicas en presencia de 1% agua.
      • Base Litosférica Vp = 8,2 Km/s.

o Astenosfera, naturaleza plástica con importante descenso de la velocidad se sitúa el canal de baja velocidad (material fundido 1,5%) donde se dan correintes convectivas. No sólo se dan aquí también en zonas mas profundas pero en esado sólido.

5.3.- Características y composición del núcleo

Capa que se extiende desde la discontinuad de Guttenberg (2900km) hasta el centro (6375km) supone el 14% volumen y 32% masa.

Composicionalmente está formado maytoritariamente por Fe y <6% Ni, aunque por su densidad hace pensar en la existencia de S para formando SFe.

  • Reológicamente dividido por Lehmann 5100km:

o Núcleo externo fluido (se pierden ondas S)

o Núcleo interno sólido muy denso aumento Vp.

Estudios reciente hablan de una zona de transición en la posición de la discontinuidad de Lehmann, debida a la existencia de zona dual fundida-solida.

La existencia de la fase fundida unida a la composición metálica del núcleo, favorece la creación de un dipolo que genera el campo magnético terrestre, que estaría funcionando como una inmensa dinamo.