Explorando la Estructura Interna de la Tierra: Métodos, Procesos y Fenómenos Geológicos

Métodos de Estudio del Interior de la Tierra

El estudio del interior de la Tierra se realiza a través de métodos directos e indirectos:

Observaciones Directas

Las observaciones directas de los materiales de la Tierra proporcionan información limitada, pero valiosa:

• Estudio de minas: Permite el acceso a profundidades de hasta 2.000 m.
• Sondeos: Alcanzan profundidades de hasta 7.000 m.
• Las rocas extraídas son comparables a las que afloran en la superficie.

Observaciones Indirectas

Las observaciones indirectas aportan más datos sobre el interior de la Tierra:

• Erosión de montañas: Expone rocas formadas a gran profundidad.
• Lavas volcánicas: Compuestas por materiales originados a profundidades de hasta 100 km.
• Meteoritos: Considerados fragmentos del interior de otros planetas.

Otras Características de la Tierra

Otras características de la Tierra también ayudan a investigar su estructura:

• Densidad: Aumenta desde 2,8 g/cm³ en la superficie hasta 14 g/cm³ en el interior.
• Presión: Varía desde unas pocas atmósferas en la superficie hasta más de 3.000.000 en el centro (datos teóricos).
• Temperatura: El grado geotérmico en la superficie es de 1 ºC por cada 33 m de profundidad, pero este aumento no es constante hacia el interior.
• Gravedad: Menor en las montañas que en las llanuras debido al mayor espesor de la corteza.
• Magnetismo: Indica que el núcleo se diferencia en un núcleo interno sólido y un núcleo externo fluido.
• Ondas sísmicas: Proporcionan los datos más completos sobre la estructura y composición de la Tierra.

Estudio del Interior de la Tierra Mediante Ondas Sísmicas

Los terremotos son movimientos bruscos causados por la rotura y el desplazamiento de rocas en la corteza profunda o el manto superior, como consecuencia del movimiento de las placas litosféricas. Suelen originarse a unos 50 km de profundidad.

Registro de las Ondas Sísmicas

Los sismógrafos son los aparatos que registran las ondas sísmicas.

• Ondas P: Son las más rápidas. Vibran en la misma dirección que la dirección de propagación. También se denominan ondas primarias o principales.
• Ondas S: Son más lentas que las P. Vibran perpendicularmente a la dirección de propagación. No atraviesan fluidos. También se denominan ondas secundarias.
• Ondas superficiales: Son las que al llegar a la superficie causan las catástrofes. Hay dos tipos de ondas superficiales:
  • Ondas R (Rayleigh): Hacen subir y bajar las partículas del sustrato en un movimiento circular, produciendo un desplazamiento hacia delante y hacia atrás.
  • Ondas L (Love): Dan lugar a un movimiento lateral, perpendicular a la dirección de propagación.

Características de las Ondas Sísmicas

• Cuanto mayor es la densidad del material atravesado, menor es la velocidad de las ondas, y cuanto mayor es su rigidez, mayor es su velocidad.
• Las ondas S no se propagan en fluidos.
• Las curvas P y S tienen una trayectoria curva en determinadas zonas de la tierra y se refractan al cambiar de un medio a otro con características muy diferentes (por ejemplo, del manto al núcleo).

Las Discontinuidades

Del estudio de las ondas sísmicas se deduce que la Tierra tiene una estructura en capas. Cada variación brusca en la velocidad de propagación de las ondas indica que éstas entran en un nuevo tipo de material o en un material con un estado de viscosidad distinto. A estas variaciones bruscas se las denomina discontinuidades.

• Discontinuidad de Mohorovicic: Se sitúa a 10 km en los océanos y a 30-40 km bajo los continentes, separa la corteza del manto.
• Discontinuidad de Repetti: Se localiza a unos 670 km de profundidad y marca la transición entre el manto superior y el inferior.
• Discontinuidad de Gutemberg: Se localiza a 2.900 km y separa el manto del núcleo.
• Discontinuidad de Wiechert-Lheman: Se produce a los 5.100 km.

Divisiones de la Tierra

Se pueden considerar dos criterios para subdividir el planeta en capas:

Divisiones Geoquímicas

El 92% de la tierra está compuesta por:

• Hierro (34,6%)
• Oxígeno (29,2%)
• Silicio (15,2%)
• Magnesio (12,7%)

Estos elementos químicos se combinan formando minerales y se distribuyen en tres grandes capas:

• Corteza: Capa más externa, entre 8 y 70 km de espesor. Concentra los elementos más ligeros.
• Manto: Ocupa la mayor masa de la Tierra, hasta los 2.900 km de profundidad. Mayor porcentaje de elementos pesados que la corteza.
• Núcleo: Centro de la Tierra. Mayor porcentaje de elementos densos, como el hierro.

Divisiones Dinámicas

Según el comportamiento de los materiales ante las deformaciones, se distinguen cuatro capas:

• Litosfera: Capa exterior rígida y quebradiza, espesor medio de 100 km. Formada por la corteza y la parte superior del manto.
• Astenosfera: Espesor medio de 200 km. Parte inferior del manto superior. También llamada canal de baja velocidad.
• Mesosfera: Coincide con el resto del manto.
• Endosfera: Coincide con el núcleo.

Estructura y Naturaleza Físico-Química del Interior de la Tierra

La Corteza Oceánica

• Espesor menor que la corteza continental, sobrepasa los 12 km.
• Zona externa formada por sedimentos.
• Capa de rocas volcánicas de composición basáltica.
• Zona profunda formada por gabros.
• Es joven comparada con la corteza continental.

La Corteza Continental

• Constituye los continentes y las plataformas continentales.
• Muy antigua, hasta 4.000 millones de años.
• Tres zonas distintas:
  • Zona superficial: Rocas sedimentarias plegadas (o no).
  • Zona intermedia: Rocas metamórficas de intensidad media y plutones (granitos).
  • Zona profunda: Rocas metamórficas de alto grado de intensidad de presión y temperatura e intrusiones básicas.

El Manto

• Llega a los 2.900 km de profundidad.
• Formado por rocas ultrabásicas, pobres en sílice y ricas en olivino y piroxenos.
• Dinámica de convección que equilibra el calor interno con el superficial.

El Núcleo

• El núcleo externo es líquido.
• Temperatura de 4.000 a 5.000 ºC.
• Genera un campo magnético registrado en las rocas desde hace 3.500 millones de años.
• Compuesto mayoritariamente por hierro.

Origen del Movimiento de las Placas

El desplazamiento de las placas se debe a la liberación del calor interno de la Tierra. Las zonas calientes del interior evacuan el calor hacia el exterior, mientras que las zonas frías de la corteza se introducen en el manto, similar a la convección en fluidos. Este movimiento de rocas plásticas del manto parece ser el causante del desplazamiento de las placas.

Existen diferentes teorías sobre la circulación en el manto:

• Un solo sistema de circulación.
• Doble circuito de convección para una pérdida de calor más lenta.
• La subducción del borde de la placa arrastra al resto debido a su peso.

Origen y Evolución del Fondo Oceánico

La mayor parte del fondo oceánico se ha originado por la fracturación y separación de las placas litosféricas. El fondo oceánico se crea en las dorsales oceánicas y se destruye en las zonas de subducción. Las rocas más antiguas del fondo del mar se encuentran cerca de los continentes, y su edad disminuye a medida que nos acercamos a la dorsal oceánica.

Tipos de Bordes de Placas

Los Bordes Constructivos

En las dorsales, el hueco que dejan las placas al separarse es rellenado por material volcánico del manto, formando la corteza oceánica. Las dorsales son cadenas montañosas submarinas con un perfil agreste y miles de kilómetros de longitud. En el centro de muchas dorsales existe una depresión llamada rift, con actividad volcánica constante. Ejemplos: Islandia y el Rift africano.

Los Bordes Pasivos

Las dorsales están interrumpidas por fallas transformantes, líneas de fractura perpendiculares al eje con importante actividad sísmica y volcánica. Ejemplo: Falla de San Andrés en California (USA).

Los Bordes Destructivos

Coinciden con las fosas oceánicas submarinas. La placa oceánica, más densa, penetra bajo los bordes continentales hacia la astenosfera (subducción), fundiéndose debido al aumento de temperatura. En estos bordes se originan grandes relieves (Montañas Rocosas, Andes) y la mayoría de los terremotos y volcanes.

Tipos de Convergencia entre Placas (Tipos de Orógenos)

Los choques entre placas originan la elevación de cadenas montañosas u orógenos:

• Orógenos de colisión: Choque y subducción de dos bordes continentales (Ej. Himalaya).
• Arcos de islas: Una placa oceánica subduce bajo otra, originando islas volcánicas arqueadas (Ej. Japón).
• Orógenos de tipo andino: Formados en un borde continental cuando subduce una corteza oceánica.

Ejemplo: Los Pirineos son un ejemplo de orógeno de colisión.

El Interior de las Placas

Teoría del Punto Caliente

Explica la existencia de islas oceánicas alineadas. Propone una zona caliente a gran profundidad que envía materiales fundidos a la superficie, originando volcanes e islas. Al moverse la placa, las islas se alinean, con volcanes activos en las más jóvenes.

Los Terremotos

La creación de nueva corteza en las dorsales provoca el movimiento de las placas. En los bordes de subducción, este movimiento se transforma en discontinuo, liberando energía y provocando terremotos. Un terremoto se inicia en el hipocentro y se transmite a la superficie, siendo el epicentro el punto más cercano al foco.

• Magnitud: Medida de la energía liberada (escala de Richter).
• Intensidad: Medida subjetiva de los efectos del terremoto (escala de Mercalli).

Precursores Sísmicos y Prevención de Terremotos

La acumulación de energía produce variaciones locales en el terreno, denominadas indicios precursores:

• Elevación del terreno.
• Cambios en la transmisión de corriente eléctrica.
• Cambios en el campo magnético.
• Aumento de radón.
• Aumento de microseísmos locales.

Sin embargo, la predicción sísmica actual aún no es precisa.

Los Volcanes

El vulcanismo está relacionado con los bordes de las placas, aunque puede ocurrir en su interior. La peligrosidad de una erupción depende de su explosividad, relacionada con la viscosidad de la lava.

Riesgo Volcánico y Vigilancia

La explosividad del magma depende de su viscosidad y contenido en gases. Hay dos tipos de erupciones:

• Efusivas: Liberan materiales que se deslizan por las paredes del volcán (coladas), poco peligrosas.
• Explosivas: Más peligrosas, producen nubes ardientes o lluvia de cenizas (lapilli).

El calor interno de la Tierra, combinado con la presión, origina materiales fundidos o transforma rocas para adaptarlas a las nuevas condiciones termodinámicas.

La Deformación de las Rocas

Una roca sometida a un esfuerzo puede reaccionar de tres maneras:

• Deformación elástica: Retorna a la posición inicial al cesar el esfuerzo.
• Deformación plástica: No vuelve a la posición inicial.
• Rotura: Se separa en fragmentos.

La deformación depende de la intensidad del esfuerzo, la naturaleza de la roca, la presión, la temperatura y el tiempo.

Los esfuerzos fundamentales son de compresión (acortamiento) y de distensión (alargamiento).

Pliegues

Son el resultado de una compresión que produce una deformación plástica, arrugando los estratos y originando ondulaciones.

Elementos de un Pliegue

• Plano o superficie axial: Superficie imaginaria que pasa por las líneas de charnela.
• Charnela: Línea de máxima curvatura.
• Flancos: Zonas entre dos charnelas consecutivas.
• Cresta: Zona con los puntos más altos o bajos.
• Traza axial (eje del pliegue o eje axial): Intersección de la superficie axial con la superficie topográfica.
• Vergencia: Inclinación del plano axial.

Clasificación de los Pliegues

• Según la posición de los estratos:
  • Anticlinal: Capas más antiguas en el núcleo.
  • Sinclinal: Capas más jóvenes en el núcleo.
• Según el grado de compresión de los flancos:
  • Isopacos: Flancos sin engrosamiento ni adelgazamiento.
  • Anisopacos: Adelgazamiento en los flancos.
• Según la vergencia:
  • Recto.
  • Inclinado.
  • Tumbado.
  • Recumbente.

Fallas

Cuando el esfuerzo rompe las rocas y desplaza los fragmentos, se origina una falla.

Partes de una Falla

• Plano de falla: Superficie de desplazamiento de los bloques, normalmente curva.
• Salto de falla: Desplazamiento entre los bloques.

Tipos de Fallas

• Falla normal: El plano de falla buza hacia el bloque hundido.
• Falla inversa: El plano de falla buza hacia el bloque levantado.
• Falla en dirección o de desgarre: Desplazamiento horizontal de los bloques.

Asociación de Pliegues y Fallas

• Anticlinorio: Asociación de pliegues que originan un relieve positivo (anticlinales).
• Sinclinorio: Asociación de pliegues que originan un relieve negativo (sinclinales).
• Mantos de plegamiento: Asociación de pliegues tumbados y acostados en grandes formaciones montañosas.
• Pilares (Macizos) tectónicos: Asociación de fallas que originan bloques y producen relieves levantados.
• Fosas tectónicas: Asociación de fallas que originan bloques y producen relieves hundidos.

Diaclasas

Fracturas en las rocas con desplazamiento nulo o muy pequeño (falla no desarrollada).

Origen de las Rocas

• Magmático o Ígneo
• Metamórfico
• Sedimentario

Fenómenos que Originan las Rocas

Magmatismo

Se denomina magma a una mezcla fundida de minerales y compuestos químicos, principalmente silicio. Compuesta por elementos sólidos, líquidos y gases. Origina minerales denominados silicatos. El 80% de los magmas se origina en los bordes constructivos (dorsales), el resto en zonas de subducción y una pequeña proporción en puntos calientes.

Series de Cristalización de Bowen

Los minerales de un magma no cristalizan todos al mismo tiempo. El primero en cristalizar es el olivino, y luego, a medida que disminuye la temperatura, van cristalizando los restantes.

Los minerales pueden cambiar su composición progresivamente (serie de reacción continua) o reaccionar con el líquido magmático y originar otro mineral (serie de reacción discontinua).

• Serie de reacción discontinua (Melanocratos - minerales negros):
  • Olivino
  • Piroxeno
  • Anfíbol
  • Biotita
• Serie de reacción continua (Leucocratos - minerales blancos):
  • Plagioclasa cálcica
  • Plagioclasa sódica

Origen, Formación y Dinámica de los Magmas

• Los magmas se originan a partir de rocas del manto superior o de la corteza profunda.
• Temperaturas en lavas volcánicas: 700-1.200 ºC.
• La astenosfera, cerca de la superficie en las dorsales, tiene temperaturas de 1.000-1.500 ºC.
• El aumento de presión con la profundidad incrementa los puntos de fusión de los minerales.
• Un aumento de temperatura puede fundir parcialmente las rocas, produciendo líquido magmático de composición distinta a la roca inicial.

Evolución de un Magma

Procesos que cambian la composición inicial del magma:

• Diferenciación por gravedad: Cristales formados caen al fondo de la cámara magmática.
• Migración del fluido o gases magmáticos: Líquidos o gases evolucionan hacia zonas superiores por presión.
• Asimilación: El magma se contamina y cambia su composición al fundir rocas de distinta composición.

Tipos de Magmas

• Magma basáltico (ácido): Fusión del manto, pobre en sílice.
• Magma granítico (básico): Fusión de la corteza profunda, rico en sílice.

Rocas Magmáticas

• Rocas plutónicas: Enfriamiento y solidificación del magma antes de llegar al exterior.
  • Granito
  • Granodiorita
  • Diorita
  • Gabro
• Rocas volcánicas: Enfriamiento rápido del magma al salir al exterior.
  • Basalto

Metamorfismo

Cuando una roca está sometida a intensas presiones, altas temperaturas o ambos factores, experimenta cambios en su composición y/o estructura, originando rocas metamórficas. La presión y temperatura no deben ser tan elevadas como para fundir la roca.

Minerales Metamórficos

Similares a los de las rocas ígneas, con algunos minerales peculiares:

• Andalucita, sillimanita y cianita (aluminio, silicio y oxígeno, se originan a distintas temperaturas y presiones).
• Granates (silicatos de hierro).
• Estaurolita (aluminiosilicato de hierro hidratado).
• Clorita (estructura parecida a la biotita).

Intensidad del Metamorfismo

Zonas de metamorfismo definidas por intervalos de temperatura, coincidentes con un aumento de la profundidad:

• Epizona (grado bajo): 200-450 ºC.
• Mesozona (grado medio): 450-650 ºC.
• Catazona (grado alto): 650 ºC hasta el punto de fusión.

Tipos de Metamorfismo

• Metamorfismo de enterramiento: Factor determinante es la presión vertical por gravedad.
• Metamorfismo de presión o dinamometamorfismo: Presión dirigida es el factor dominante.
• Metamorfismo de contacto o térmico: La temperatura es el factor condicionante, originado por un magma en ascenso.
• Metamorfismo regional: El más abundante, actúan tiempo, presión y temperatura. Afecta a grandes áreas de la corteza en zonas de subducción o colisión.
• Metasomatismo: Agua con elementos diversos circula por las rocas, cambiando su composición.

Estructura de las Rocas Metamórficas

Formadas por minerales cristalizados, son rocas cristalinas. Dos tipos de estructuras:

• No foliada (no forman láminas):
  • Cuarcitas
  • Mármoles
• Foliada (forman láminas):
  • Pizarrosidad: Cristales finos, estructura hojosa (Pizarras).
  • Esquistosidad: Cristales de grano medio, bandeado grosero (Esquistos).
  • Gnésicas: Cristales de grano grueso en bandas gruesas (Gneis).

El Origen de las Montañas: Contraccionistas y Movilistas

Hasta la década de 1960, existían dos corrientes:

• Contraccionistas: Basados en la teoría del geosinclinal (surcos con acumulación de sedimentos que se pliegan por contracción). La idea de la contracción de la Tierra perdió peso al descubrirse la radiactividad.
• Movilistas: Basados en el desplazamiento de los continentes. Wegener propuso la deriva continental, describiendo un continente primitivo (Pangea) que se fracturó, originando los continentes y montañas actuales.

La Teoría de la Tectónica de Placas

Propuesta por Wilson en 1965, divide la Tierra en placas litosféricas separadas por cinturones sísmicos y volcánicos, cadenas montañosas submarinas y archipiélagos volcánicos. Se aceptan 12 placas de tamaño variable, oceánicas o mixtas (litosfera continental y oceánica).

Relación entre Placas

Las placas pueden separarse (dorsales oceánicas), chocar (zonas de subducción) o deslizarse lateralmente (fallas transformantes). Tres tipos de límites o bordes:

• Bordes constructivos o dorsales oceánicas: Creación de litosfera oceánica, normalmente en el centro de los océanos.
• Bordes destructivos: Destrucción de placas, la litosfera oceánica penetra bajo la continental (subducción) o bajo otra oceánica.
• Bordes pasivos: Ni se crea ni se destruye litosfera, movimiento relativo a través de fallas transformantes.

Pruebas de la Tectónica de Placas

• Coincidencia de líneas de costa: Ajuste de los continentes a las líneas de la plataforma continental.
• Coincidencia de formaciones rocosas en continentes lejanos: Rocas de más de 100 millones de años (inicio de la separación de Pangea).
• Continuidad de las cadenas alpinas y separación de las cadenas hercínicas: Las cadenas alpinas (25-30 millones de años) tienen una distribución continua, mientras que las hercínicas (300 millones de años) presentan interrupciones, apreciándose su continuidad al unir los continentes.