Estructura y composición de la Geosfera: Un viaje al interior de la Tierra

1. Estructura y composición de la Geosfera

1.1 Métodos de estudio del interior terrestre

Existen dos métodos principales para estudiar el interior de la Tierra:

• Métodos directos: Se basan en la observación directa del interior de la Tierra. Los datos obtenidos son fiables, pero aportan poca información debido a la limitada profundidad que se puede alcanzar.
• Métodos indirectos: Se basan en cálculos y deducciones a partir del estudio de las propiedades físicas y químicas de la Tierra y de sus materiales. El principal método indirecto es el método sísmico, que estudia las diferencias de velocidad y dirección de las ondas sísmicas al atravesar las capas terrestres con diferentes propiedades. Este método proporciona mucha información sobre la estructura y composición del interior de la Tierra.

1.2 Modelo geoquímico

El modelo geoquímico explica el interior terrestre y lo divide en capas en función de su composición química:

Codia

Es la capa superficial, rocosa, fina y sólida. Se divide en:

• Codia continental (25-70 km): Formada principalmente por granito, su espesor es variable debido a la dinámica terrestre y a la acumulación de rocas y sedimentos.
• Codia oceánica (6-12 km): Forma los fondos oceánicos y está formada por basalto y gabro, rocas más densas que el granito.

Manto

Es una capa rocosa formada principalmente por peridotita. Se divide en:

• Manto superior (70-670 km): Es más denso que el manto inferior.
• Manto inferior (670-2900 km): Sus minerales están muy compactados y son densos debido a la elevada presión de los materiales de las zonas superiores.

Núcleo

Es la capa más profunda, formada principalmente por hierro y níquel (composición similar a la de los meteoritos sideritos). En él se genera el campo magnético terrestre. Se divide en:

• Núcleo externo (2900-5120 km): Se encuentra en estado fluido debido a las altas temperaturas y presiones. En él se manifiestan las corrientes de convección, responsables del campo magnético terrestre.
• Núcleo interno (5120-6371 km): Formado por hierro y níquel, se encuentra en estado sólido.

Discontinuidades sísmicas

Son zonas de transición entre dos capas de la geosfera con diferentes propiedades. Se producen como consecuencia del cambio de velocidad y trayectoria que sufren las ondas sísmicas al pasar de un medio a otro (refracción). Las principales discontinuidades sísmicas son la de Mohorovicic, Repetti, Gutenberg y Lehman-Wiechert.

1.3 Modelo geodinámico

El modelo geodinámico divide el interior terrestre en varias zonas en función de su estado físico y su comportamiento o dinámica:

Litosfera (75-100 km)

Es la capa más externa, formada por la codia y la parte externa del manto superior. Es rígida y está fragmentada en placas litosféricas o tectónicas que flotan sobre materiales más densos. Existen dos tipos de litosfera: continental y oceánica.

Mesosfera (300-2900 km)

Está formada por el resto del manto. Su dinámica presenta corrientes de convección de movimiento muy lento y térmico. Se cree que su estado es sólido debido a la presión de los materiales.

Endosfera o núcleo (2900-6378 km)

Se divide en núcleo externo e interno. Su estructura coincide con el núcleo del modelo geoquímico. En ella se origina el campo magnético terrestre y las corrientes de convección, motor de la dinámica interna del planeta.

Capa D (100-300 km)

Es una capa situada entre la mesosfera y el núcleo externo de la endosfera. En ella se producen intercambios de materia y energía en forma de calor a través de plumas térmicas que atraviesan la mesosfera y la litosfera. Se corresponde con la parte superior del manto, denominada manto sublitosférico. Se encuentra a elevadas temperaturas y está en constante movimiento, produciendo el desplazamiento de las placas litosféricas situadas sobre ella. A través de ella ascienden las corrientes de convección, que transportan el calor originado en el núcleo externo.

Gradiente geotérmico

Es el aumento continuo de temperatura a medida que aumenta la profundidad en la Tierra (desde la superficie hasta el interior terrestre).

2. Geodinámica interna

La geodinámica interna estudia el comportamiento de las estructuras internas de la Tierra y sus consecuencias en los procesos y fenómenos geológicos.

2.1 Teorías orogénicas

Teorías fijistas (s. XIX - principios s. XX)

Postulaban que los continentes presentaron la misma localización geográfica durante toda la historia. Fueron desacreditadas por las teorías mobilistas.

Teorías mobilistas

Propuestas por Alfred Wegener, afirman que los continentes se desplazan localizándose en diferentes situaciones a lo largo de la historia. Los postulados de la teoría mobilista son:

• Deriva continental: En el pasado, los continentes estuvieron unidos en un supercontinente (Pangea) y, a lo largo de la historia, las placas litosféricas se fueron separando hasta las localizaciones actuales.
• Corrientes de convección: El movimiento de los continentes se debe a la acción de las corrientes de convección producidas por la transmisión del calor a través del manto. El descubrimiento de las dorsales oceánicas y de la expansión de los fondos oceánicos confirmó esta hipótesis.
• Tectónica de placas: Considera que la litosfera está dividida en diferentes placas que están en continuo movimiento debido a las corrientes de convección del interior terrestre.

2.2 Teoría de la deriva continental

Propuesta por Alfred Wegener (1912), afirma que los continentes se mueven, pero no explica el origen del movimiento. Expone que la localización actual de los continentes se debe a la fragmentación y el posterior desplazamiento del antiguo supercontinente (Pangea). Fue rechazada hasta que en los años 60 (s. XX) se demostró el mecanismo del movimiento continental: las corrientes de convección del manto terrestre.

Pruebas de la deriva continental

• Geológicas: Si aproximamos las márgenes de las plataformas continentales del hemisferio norte con las del sur, se acoplan con una unidad que también se aprecia en la continuidad de los orógenos.
• Geomagnéticas: Los minerales magnéticos de las rocas de la misma edad pero de diferentes continentes están orientados en la misma dirección y sentido.
• Paleontológicas: Los fósiles de determinadas eras son semejantes en varios continentes, lo que indica un origen común (África, Sudamérica, India, Australia, Antártida).
• Geográficas: Los bordes de las plataformas continentales encajan entre ellos, como las costas de Sudamérica y África.
• Paleoclimáticas: Se encuentran restos de climatología similar en zonas alejadas hoy en día (prueba apoyada por el registro fósil y la litología).

Postulados de la deriva continental

1. Las masas de tierra emergidas formaban un único continente (Pangea).
2. Pangea se escindió y fragmentó en placas litosféricas.
3. Las márgenes continentales colisionan formando cordilleras.
4. Los continentes se desplazan hacia el Ecuador por la fuerza centrífuga de la rotación de la Tierra y al oeste por la atracción Sol-Luna.

Críticas a la deriva continental

Sus detractores argumentaban que esta teoría no explicaba el origen del movimiento de los continentes ni la deformación de las frontes continentales, la sismicidad o el vulcanismo. No pudieron explicarlo hasta la aplicación del modelo geodinámico terrestre.

3. Expansión del fondo oceánico

La teoría de la expansión del fondo oceánico afirma que en las dorsales oceánicas se crea nueva codia al ser empurrado el nuevo material hacia los lados de la dorsal, aumentando la extensión de los océanos. En la dorsal oceánica, la presión empuja a ambos lados el magma, separando y elevando el relieve de la dorsal. Las rocas situadas a ambos lados de la dorsal presentan la misma orientación magnética y forman bandas paralelas y simétricas.

Pruebas de la expansión del fondo oceánico

• Edad de los basaltos: Las rocas basálticas de los fondos oceánicos son más antiguas a medida que se alejan de las dorsales y se aproximan a los continentes.
• Paleomagnetismo: El campo magnético terrestre es inestable y su polaridad se ha invertido cada cierto tiempo a lo largo de la historia. Estas inversiones quedan registradas en las rocas que contienen el mineral magnetita.
• Potencia de los sedimentos sobre los fondos oceánicos: Los sedimentos no se distribuyen homogéneamente. A medida que nos alejamos de la dorsal y nos acercamos a los continentes, se incrementa la acumulación y el espesor de sedimentos. El fondo oceánico se mueve y los va acumulando a lo largo del tiempo.

4. Tectónica de placas

La teoría de la tectónica de placas considera que la litosfera está dividida en placas litosféricas, en continuo movimiento unas respecto a otras.

4.1 Principios básicos y pruebas

La teoría de placas se fundamenta en los siguientes principios básicos:

• Las placas litosféricas se mueven por la convección del manto terrestre.
• La litosfera está formada por la codia y el manto sublitosférico, formando una unidad dinámica fragmentada en placas litosféricas o tectónicas.
• La convección afecta a todo el manto terrestre. Por eso, esta "arrastra", en su movimiento, a la parte de la litosfera terrestre que soporta.

Las pruebas en las que se apoya la tectónica de placas son:

• Distribución de los cinturones activos: Son zonas de alta actividad geológica (vulcanismo y sismicidad). Diferenciamos el Cinto Circumpacífico y el Cinto Eurasiático-Melanésico, de miles de kilómetros de longitud, con orógenos y grandes sistemas de fallas asociados.
• Localización del sistema de dorsales oceánicas: Coincide con zonas de alta actividad geológica que mantienen el equilibrio de la codia terrestre, destruida en los bordes convergentes y creada en los divergentes.

4.2 Tipos de placas litosféricas

Clasificamos las placas litosféricas conforme a su composición y tamaño.

Según la composición

• Placas continentales: Formadas por codia continental y manto superior (Placa Africana).
• Placas mixtas: Formadas por codia oceánica, continental y manto superior (Placa Suramericana).
• Placas oceánicas: Formadas por la codia oceánica y manto superior (Placa Pacífica).

Según su tamaño

• Placas mayores: En total 15 (Placa Eurasiática).
• Placas menores: En total 43 (Placa de Nazca).

4.3 Límites de las placas

A. Límites divergentes

En los límites divergentes o bordes constructivos, las placas litosféricas se separan, permitiendo el afloramiento del magma. En ellos se crea nueva litosfera. Se asocian a cinturones activos y dorsales oceánicas. El borde constructivo suele coincidir con las dorsales oceánicas. Cuando el límite divergente afecta a un continente, produce una fenda denominada rift continental.

B. Límites convergentes

En los límites convergentes o bordes destructivos, una placa litosférica se introduce debajo de otra. Este proceso se denomina subducción. Una de sus consecuencias es la formación de orógenos (montañas). En estas zonas se consume litosfera y presentan sismicidad y vulcanismo. En función del tipo de placas que colisionan, se producen diferentes eventos:

• Dos placas de litosfera oceánica: Se forma un arco de islas volcánicas, asociado a fosas oceánicas, como ocurre en las islas Antillas (Mar Caribe).
• Dos placas de litosfera continental: Se forman cordilleras intercontinentales, como las cordilleras del Himalaya o los Alpes.
• Placa continental y oceánica: Se forman cordilleras pericontinentais, asociadas a fosas oceánicas. Un ejemplo es la cordillera de los Andes (las placas continentales son menos densas que las oceánicas).

C. Límites transformantes

En los límites transformantes o bordes pasivos, las placas se desplazan lateralmente. No se crea ni se destruye codia. El movimiento de las dos placas es paralelo y de sentido contrario. Presentan intensa sismicidad. Alcanzan largas distancias, como la falla de San Andrés, en California (Estados Unidos), por el contacto de la placa Pacífica y la Norteamericana.

Plano de Benioff

El plano de fricción entre dos placas litosféricas se llama plano de Benioff. En él se concentran los focos de sismos.

5. Dinámica interna

La sismicidad y el vulcanismo son manifestaciones de la liberación de energía interna de la Tierra que afectan a la codia terrestre.

5.1 Sismos o terremotos

Los sismos son movimientos bruscos de la superficie terrestre. Se originan en regiones inestables de la codia, como los límites de las placas.

Consecuencias geológicas de los sismos

• Grieta: Las placas continentales se separan, provocando el hundimiento de la codia.
• Formación de montañas: Las placas continentales chocan creando pliegues y depósitos en forma de cordilleras.
• Islas volcánicas: Al quebrar la superficie marina por la separación de las placas oceánicas, se forman islas volcánicas.

Partes de un sismo

• Epicentro: Punto de la superficie terrestre situado sobre el foco del terremoto.
• Hipocentro: Punto del interior terrestre donde se sitúa el foco del terremoto.

A. Ondas sísmicas

Son la propagación a través de un material de la vibración emitida durante un movimiento sísmico como consecuencia de la liberación de la energía elástica acumulada en la codia terrestre. Hay dos tipos de ondas sísmicas: profundas y superficiales:

• Ondas profundas:
  • Ondas P (longitudinales o de compresión): Se transmiten por fluidos y sólidos.
  • Ondas S (transversales o de cizalladura): Se transmiten por medios sólidos.
• Ondas superficiales:
  • Ondas L: Se propagan en superficie provocando movimientos horizontales de un lado a otro.
  • Ondas R: Realizan un movimiento elíptico.

C. El método sísmico

El método sísmico consiste en aplicar las propiedades de las ondas sísmicas al estudio del interior terrestre. Cuando atraviesan capas con diferentes propiedades y estados físicos, las ondas sísmicas profundas P y S modifican su velocidad y su trayectoria, lo que da lugar a zonas de sombra. Estas alteraciones permiten identificar la profundidad a la que se produce un cambio en las propiedades de los materiales terrestres. Las zonas de cambio brusco coinciden con las discontinuidades sísmicas. También podemos identificar de este modo las propiedades generales de las capas de la geosfera.

5.2 Vulcanismo y volcanes

Un volcán es una estructura geológica de la superficie terrestre, una fenda en la codia por la que asciende el magma del interior de la Tierra. Están situados en zonas activas del planeta: cadenas montañosas nuevas, dorsales oceánicas, en las zonas de placa oceánica con magma hidratado y en los puntos calientes (en medio de la placa). Es decir, están asociados a los bordes de las placas litosféricas.

Etapas de una erupción volcánica

1. Preparación: En la profundidad, el magma rico en gas llena la cámara magmática y en la superficie se producen convulsiones que dilatan el volcán.
2. Explosión: Cuando se libera el gas, el magma asciende por la chimenea y proyecta partículas provocando una lluvia de ceniza (la presión dilata la chimenea).
3. Fin de la erupción: Se vacía la cámara magmática y se derrumban las paredes de la chimenea formando un enorme cráter (caldera).

6. El relieve y otras manifestaciones terrestres

6.1 El relieve

El relieve es el conjunto de irregularidades que se dan en la superficie terrestre como consecuencia de los procesos geológicos internos (endógenos) o externos (exógenos). Los relieves terrestres se clasifican en continentales y submarinos.

Relieves continentales

Se distinguen tres grandes tipos de zonas:

1. Cinturones orogénicos: Zonas alargadas con grandes diferencias de relieve formadas por el choque de placas litosféricas; por lo que son paralelas a los límites de estas placas. Constituyen las zonas más elevadas del planeta (Cordillera del Himalaya).
2. Plataformas o escudos: Áreas alrededor de los escudos, con pocas diferencias de relieve: mesetas, planicies y altiplanicies formadas por rocas sedimentarias muy antiguas de escaso espesor y poca deformación que se disponen generalmente en estratos horizontales.
3. Escudos: Áreas constituidas por rocas muy antiguas y con muy pocas diferencias de relieve debido a la erosión. Se encuentran en el núcleo de las plataformas continentales.

Las plataformas y los escudos constituyen zonas tectonicamente estables que han sufrido procesos erosivos. Ambas regiones forman los cratones continentales.

7. Evolución del relieve

En la evolución del relieve intervienen dos procesos antagónicos:

7.1 Procesos geológicos internos

Producidos por la energía térmica del interior terrestre, dan lugar a la actividad sísmica, volcánica y tectónica. Son procesos constructivos que aparecen en la elevación y plegamiento de los materiales de la litosfera (orogénesis).

7.2 Procesos geológicos externos o gliptogénesis

Son la interacción de la superficie terrestre y las rocas con la acción de la atmósfera, la hidrosfera (combinadas con la energía solar y la gravedad), la biosfera y la antroposfera. Los procesos geológicos externos o gliptogénesis son:

• Meteorización: Alteración, fractura y desagregación de las rocas producida por factores físicos, químicos y biológicos.
• Erosión: Desgaste de los materiales con la ayuda de agentes externos como la lluvia o el viento.
• Transporte: Los materiales son desplazados por los agentes geológicos.
• Sedimentación: Los materiales se acumulan y pierden energía, llamándose sedimentos.

Diferencias entre orogénesis y gliptogénesis

La orogénesis produce el levantamiento de relieves y la gliptogénesis los desgasta.

8. La formación del relieve

Los procesos geológicos internos son los responsables de la formación del relieve terrestre, que provocan la ascensión y el plegamiento de los materiales de la litosfera.

8.1 Orogénesis

Es un proceso geológico en el que la litosfera se pliega y eleva en una zona alargada, dando lugar a los orógenos. La orogénesis tiene lugar en los bordes convergentes de las placas litosféricas, produciendo cinturones orogénicos.

• Orogénesis de subducción, térmicos o tipo andino: Colisión de una placa oceánica con una placa continental.
• Orogénesis de arco insular: Colisión de dos placas oceánicas.
• Orogénesis de colisión o tipo alpino: Colisión de dos placas continentales.

8.2 Epirogénesis

Es un movimiento lento y vertical de elevación o hundimiento en las zonas interiores de las placas litosféricas.

8.3 La deformación de la litosfera

Los procesos geológicos internos dan lugar a deformaciones en la litosfera terrestre. Cuando la deformación es permanente, se llama deformación plástica y da lugar a los pliegues. Si el esfuerzo supera el límite de rotura, las rocas fragmentadas dan lugar a las fallas y las diaclasas.

Pliegues

Son deformaciones plásticas que afectan a varios estratos que pierden la horizontalidad o se curvan. Sus elementos son: plano axial, flancos, valle, núcleo, eje del pliegue, charnela y cresta. Se clasifican en:

• Sentido de curvatura (pliegue anticlinal y sinclinal).
• Por la inclinación del plano axial (pliegue recto, inclinado, volcado y tumbado).

Fallas

Son deformaciones frágiles de las rocas que afectan a varios estratos. En las fallas hay desplazamientos de los bloques. Los tipos de fallas son: normal, inversa y transformante. Sus partes son: plano de falla, salto de falla, labio de muro (elevado) y labio de techo (hundido).

Diaclasas

Son fracturas que afectan solo a un estrato. No se producen desplazamientos de los bloques.

9. El suelo: formación y evolución

9.1 Importancia biológica y ecológica del suelo

El suelo está formado por una fracción orgánica y una inorgánica, dando lugar a diferentes tipos de horizontes:

• Horizonte A: Contiene gran cantidad de materia orgánica, incluyendo el humus. Es de color oscuro debido a la materia orgánica muerta en descomposición.
• Horizonte B: Pobre en humus y rico en sales minerales. Solo lo presentan los suelos bien desarrollados con plantas arbóreas.
• Horizonte C: Es la roca madre meteorizada sin apenas materia orgánica.
• Horizonte D: Roca madre no meteorizada.

10. El ciclo de las rocas (ciclo petrogenético o litogenético)

Es el conjunto de procesos por los que se forman o transforman las rocas terrestres. Este proceso da lugar a tres tipos de rocas: magmáticas o ígneas, sedimentarias y metamórficas.

10.1 El ciclo de las rocas

1. La elevada temperatura funde las rocas y origina magmas, que se enfrían lentamente y solidifican dando lugar a rocas magmáticas o ígneas (plutónicas cuando se enfrían en el interior de la Tierra y volcánicas cuando son expulsadas por volcanes).
2. Las rocas sufren procesos geológicos externos, en los que la meteorización y la erosión las fragmentan y son transportadas y sedimentadas en las cuencas o ambientes sedimentarios.
3. Los sedimentos se depositan en capas, compactándose y cementando por la diagénesis, convirtiéndose en rocas sedimentarias.
4. Mientras continúa la diagénesis, otros sedimentos se depositan sobre las nuevas rocas que, por el peso, se van hundiendo, aumentando la presión y/o la temperatura (metamorfismo) para transformarse al final en rocas metamórficas.
5. La colisión entre dos placas tectónicas da lugar a la elevación de las rocas que las forman, ya sean plutónicas, metamórficas o sedimentarias.

10.2 Los procesos geológicos internos y externos en el ciclo de las rocas

Las rocas se transforman en otras rocas debido a la continua exposición a procesos geológicos internos o externos.

Procesos internos

Originados por la energía interna de la Tierra, transforman las rocas. En algunos casos, las funden y forman magma, dando lugar a rocas magmáticas; y en otros casos, los esfuerzos en las placas litosféricas someten a las rocas a incrementos de presión y temperatura, transformando las rocas pero sin fundirlas. Este proceso se llama metamorfismo y da lugar a las rocas metamórficas.

Procesos externos

Debidos a la acción de la atmósfera, la hidrosfera, el viento y la gravedad terrestre, fragmentan las rocas de la superficie en sedimentos, que se acumulan en ambientes o cuencas sedimentarias donde se compactan y sufren diagénesis, formando rocas sedimentarias.

10.3 Factores que condicionan el relieve

• Composición de las rocas.
• Estructura tectónica del terreno.
• Presencia del mar.
• El clima.
• La actividad humana.

10.4 Tipos de rocas

Rocas sedimentarias

Se forman por la consolidación de los sedimentos depositados por los agentes geológicos externos. Los sedimentos se transforman en rocas sedimentarias a través de la diagénesis. Se clasifican en:

• Detríticas.
• Organógenas.
• Químicas.
• Margas.

Rocas magmáticas

Se forman por la consolidación y solidificación de los magmas procedentes de las zonas profundas de la codia terrestre. Se clasifican en:

• Volcánicas.
• Plutónicas.
• Filonianas.

Rocas metamórficas

Se forman por metamorfismo o transformación de un tipo de roca en otro. Esto es producido por los cambios de presión y temperatura que alteran la estructura y composición química de los minerales que las forman, sin llegar a fundirlas. Se clasifican según el tipo de metamorfismo que las origina:

• Metamorfismo térmico de contacto.
• Metamorfismo dinámico o estructural.
• Metamorfismo regional o termodinámico.