El interior de la tierracapitulo III

• Los pozos taladrados en la Corteza en busca de petróleo y otros solo alcanzan unos 7 Km. Una minúscula fracción del radio de la tierra que comprende 6 370 Km.

• La actividad volcánica es una ventana al interior de la tierra, hace ascender materiales desde unos 200Km.

• Se han obtenido muchas pistas de las condiciones físicas del interior del planeta a traves del estudio de las ondas sísmicas generadas por los terremotos y explosiones.

• • Cuando dichas ondas atraviesan la tierra llevan

información a la superficie sobre los materiales que atravesaron

Sondeos del interior de la tierra

• 3.1 La técnica consiste en la determinación precisa del tiempo que las ondas P (comprensivas) y S (Cizalla) necesitan para desplazarse desde un terremoto o explosión nuclear hasta su estación sismo gráfica.

• El tiempo necesario para que las ondas P y S viajen a traves de la tierra depende de las propiedades de los materiales que cruzan

Figura 1 La energía sísmica viaja en todas las direcciones desde el origen de un terremoto (foco). La energía puede representarse en forma de frentes de onda en expansión o de rayos perpendiculares a los frentes de onda.

Naturaleza de las ondas sísmicas• 3.1.1.-Como se sabe, la energía sísmica viaja

desde su origen en todas las direcciones en forma de ondas. Entre las características significativas se cuenta:

1. La velocidad de las ondas depende de la densidad y la elasticidad de los materiales que atraviesan. Las ondas viajan mas de prisa en los materiales rígidos.

2. Dentro de una capa determinada la velocidad de las ondas sísmicas aumenta generalmente con la profundidad, porque la presión aumenta y comprime la roca transformándola en un material elástico mas compacto.

Naturaleza de las ondas sísmicas

3. Las ondas comprensivas P, que vibran hacia atrás y hacia adelante en el mismo plano que su dirección de movimiento. Son capaces de propagarse a traves de líquidos, sólidos, porque cuando están comprimidos esos materiales se comportan elásticamente, es decir se oponen a un cambio de volumen, vuelven a su forma original.

Naturaleza de las ondas sísmicas4. Las ondas de cizalla S, que vibran en angulo

recto con respecto a su dirección de desplazamiento, no pueden propagarse a traves de los líquidos, porque a diferencia de los sólidos, los líquidos no se oponen a la cizalla. Es decir, cuando los líquidos son sometidos a fuerzas que actúan para cambiar sus formas simplemente fluyen.

5. En todos los materiales, las ondas P viajan mas de prisa que las ondas S

6. Cuando las ondas sísmicas pasan de un material a otro, la trayectoria de la onda se refracta. Refleja algo de la energía, algo similar a lo que ocurre a la luz cuando pasa del aire al agua,

Figura 2 Transmisión de las ondas P y las ondas S a través de un sólido. A. El paso de las ondas P hace que el material experimente compresiones y expansiones alternas. B. El paso de las ondas S produce un cambio de forma sin modificar el volumen del material. Dado que los líquidos se comportan elásticamente cuando son comprimidos (recuperan su forma original cuando cesa el esfuerzo), transmitirán las ondas P. Sin embargo, ya que los líquidos no resisten los cambios de forma, las ondas S no pueden ser transmitidas a través de los líquidos.

Ondas sísmicas y estructura de la tierra

• Si la tierra fuera un cuerpo perfectamente homogéneo las ondas sísmicas se propagarían a traves de el en todas las direcciones como se muestra en la fig.3.3 Esas ondas viajarían en línea recta a una velocidad constante. Pero este no es el caso de la tierra.

• Ocurre que las ondas que llegan a los sismógrafos localizados en los puntos mas alejados de un terremoto viajan a velocidades medias mayores que las que se registran en localizaciones mas próximas al acontecimiento

Figura 3.3 Las ondas sísmicas viajarían con trayectorias en línea recta a través de un planeta hipotético con propiedades uniformes y a velocidades constantes. Compárese con la Figura 3.4.

Ondas sísmicas y estructura de la tierra

• Este incremento general de la velocidad con la profundidad es una consecuencia del aumento de presión, que potencia las propiedades elásticas de la roca profundamente enterrada

• Como consecuencia, los caminos seguidos por las ondas sísmicas a traves de la tierra se refractan de la manera que se muestran en la fig. 3.4

Figura 3.4 Trayectorias de las ondas a través de un planeta donde la velocidad aumenta con la profundidad.

Ondas sísmicas y estructura de la tierra

• En sismógrafos mas sensibles, resulto evidente, que además de cambios graduales en las velocidades de las ondas sísmicas, también se producen cambios de velocidad bastante abruptos a profundidades concretas

• Los sismologos llegaron a la conclusión de que la tierra debia estar compuesta por distintas capas con propiedades mecánicas o composicionales fig. 3.5.

Figura 3.5 Unas pocas de las muchas trayectorias posibles que los rayos sísmicos siguen a través de la Tierra.

Capas composicionales• La separación en capas de composición distinta

se produjo probablemente por la estratificación por densidades que tuvo lugar durante el periodo de fusión parcial de las primeras etapas de la historia de la tierra

• Durante este periodo los elementos mas pesados (Fe, Ni), se fueron hundiendo a medida que los componentes rocosos mas ligeros flotaban hacia arriba

• Debido a esta diferenciación química, el interior de la tierra no es homogénea

Figura 3.6 Comparación de las capas mecánicas y composicionales de la Tierra.

Capas composicionales• Las principales capas que componen la tierra son:

1. La corteza capa externa, cuyo grosor oscila entre 3 y 10 Km. en la parte oceánica y 70Km. en las cordilleras

2. El manto una capa de roca sólida (rica en sílice), que se extiende hasta una profundidad de unos 2 900 Km.

3. El núcleo, rica en hierro con un radio de 3 486 Km.

4. El núcleo Externo, es una capa metálica liquida de 2 270 Km. de espesor, rodea al núcleo interno una esfera sólida que tiene un radio de 1 216 Km.

Figura 3.7 Corte transversal de la Tierra que muestra su estructura interna

Discontinuidad de mohorovicic

• Mohorovicic descubrió el limite que separa los materiales de la corteza y del manto subyacente. Descubrió que las estaciones sismograficas alejadas mas de 200 Km. de un terremoto obtenían velocidades apreciablemente mayores para las ondas P, que las estaciones localizadas mas cerca del sismo

• La velocidad media de las ondas P, era de 6 Km/seg. En estaciones mas distantes la velocidad era de 8 Km/seg.

Discontinuidad de mohorovicic

• En la fig. 3.8 ,se ilustra como Mohorovicic llego a la conclusión, que la primera onda que alcanzo el sismógrafo localizado a 100Km del epicentro siguió la ruta mas corta a traves de la corteza. El sismógrafo localizado a 300 Km del epicentro, la primera onda P que llego viajo a traves del manto, una zona de mayor velocidad, esta onda alcanzo el registro antes de que lo hiciera la onda que siguió la ruta mas directa.

Figura 3.8 Trayectorias idealizadas de las ondas sísmicas que viajan desde el foco de un terremoto a tres estaciones sismográficas. En A y B, puede verse que las dos estaciones de registro más próximas reciben primero las ondas más lentas, porque las ondas viajaron a una distancia más corta. Sin embargo, como se muestra en C, después de 200 kilómetros, las primeras ondas recibidas atravesaron el manto que es una zona de mayor velocidad.

Limite Núcleo - Manto• En 1 914, el sismo logo alemán Beno Gutenberg

estableció la localización de otro importante limite• Se base en la observación de que las ondas P

disminuyen y finalmente desaparecen por completo a unos 105 grados desde un sismo, luego alrededor de 140 grados mas lejos reaparece, pero unos dos minutos después de lo que cabria espesar en función de la distancia recorrida. Este cinturón donde las ondas sísmicas directas están ausentes tiene una anchura de unos 35 grados y se le ha denominado Zona de sombra de las ondas P fig. 3.9

• La zona de sombra podría explicarse si la tierra contuviera un núcleo compuesto de un material diferente al del manto suprayacente

Figura 3.9 El brusco cambio de propiedades físicas que se produce en el límite manto - núcleo hace que las trayectorias de las ondas se desvíen notablemente, lo que se traduce en una zona de sombra para las ondas P entre unos 105 y unos 140 grados.

Limite núcleo - Manto• El núcleo que Gutenberg calculo localizado a unos

2 900 Km se produce la refracción de las ondas, que entran en el núcleo fig.3.9

• Mas adelante se determino que las ondas S no atraviezan el núcleo. Este hecho indujo a concluir que una parte de esta región es liquida

• Esta observación de que las velocidades de las ondas P disminuyen de manera súbita en un 40% cuando entran en el núcleo. Dado que la fusión reduce la elasticidad de las rocas, esta evidencia apunta a la existencia de una capa liquida por debajo del manto rocoso

Figura 3.10 Vista del interior de la Tierra que muestra las trayectorias de las ondas P y S. Cualquier punto situado a más de 105 grados del epicentro del terremoto no recibirá ondas S directas, ya que el núcleo externo no las transmitirá. Aunque tampoco hay ondas P después de los 105 grados, esas ondas son registradas más allá de los 140 grados

Descubrimiento del núcleo interno• En 1 936, Inge Lehman, sismologa danesa,

predijo la ultima subdivisión importante del interior de la tierra

• Descubrió una región de reflexión y refracción dentro del núcleo

• Al conocerse la localización y el momento exactos de las explosiones, los ecos de las ondas sísmicas rebotaron del núcleo interno

• A partir de estos datos, se descubrió que el núcleo interno tiene un radio de unos 1 216 Km.

• Las ondas P que atraviesan el núcleo interno tiene velocidades medias mas rápidas que las que solo penetran en el núcleo externo

• El aparente aumento de elasticidad del núcleo interno es una prueba de que esta región es sólida

Figura 3.11Se utilizaron los tiempos de desplazamiento de las ondas sísmicas generadas en pruebas nucleares para medir con exactitud la profundidad del núcleo interno. Una serie de sismógrafos localizados en Montana detectó los “ecos” que rebotaron desde el límite del núcleo interno.

Corteza• Las rocas de la corteza en los continentes tienen un grosor

aproximado de 30 Km.• En las cordilleras es de unos 70 Km.• La corteza oceánica entre 3 y 15 Km.• Las rocas de las cuencas oceánicas profundas son diferentes,

desde el punto de vista de su composición• Las rocas continentales tienen una densidad media de 2.8

g/cm. Algunas superan los 3 800 millones de años de antigüedad

• A partir de los estudios sísmicos, se calcula que la composición de las rocas continentales es comparables a la de las rocas ígneas de tipo granodiorita

• La corteza continental es rica en sodio, potasio y silicio. Aunque con numerosas intrusiones graníticas y rocas metamórficas, también rocas basálticas y andesititas

Corteza• Las rocas de la corteza oceánica son mas

jóvenes (180 millones de años o menos) y mas densas (unos 3,0)

• Las cuencas oceánicas yacen debajo de 4 Km de agua de mar, asi como de centenares de metros de sedimentos

• Con el desarrollo de barcos oceanográficos, se hizo posible recuperar muestras de sondeos del suelo oceánico

• Como se había previsto, las muestras obtenidas estaban compuestas fundamentalmente por basalto

manto• Aproximadamente el 82% del volumen terrestre esta

contenido dentro del manto, de casi 2 900 Km de espesor por rocas silicatadas

• La composición del manto procede, del material traído a la superficie por la actividad volcánica

• Se piensa que las rocas que constituyen las chimeneas de kimberlita están compuestos por peridotita que contiene hierro y silicatos ricos en magnesio, fundamentalmente olivino y piroxeno, junto con cantidades menores de granate

• Las ondas S viajan a traves del manto y se comporta como un solidó elástico. Por tanto el manto se describe como una capa rocosa sólida y tiene la composición de la peridotita

Manto• Se divide en mesosfera o manto inferior, hasta una

profundidad de 660 km. y manto superior hasta base de la corteza.

• A una profundidad de 400 km. se produce un aumento de la velocidad sísmica, q se debe a un cambio de fase por T o P.

• Los estudios del laboratorio, demuestran q el mineral olivino (Mg,Fe)2SiO4, constituyente principal de la peridotita. Este cambio a una forma cristalina mas densa explica los aumentos de la velocidad sísmica.

• A 660 Km. se ha detectado otra variación de velocidad sísmica, se cree q es el mineral espinela que se transforma al mineral perovskita.

Figura 3.12 Variaciones en la velocidad de las ondas P y las ondas S con la profundidad. Los cambios bruscos en la velocidad media de las ondas delinean las características principales del interior de la Tierra.

Manto• Si existen zonas de roca parcialmente

fundidas, son muy importantes porq. son capaces de transportar calor desde el núcleo – manto inferior.

• Un ritmo de elevado de flujo de calor haría a su vez que el manto solidó se calentara lo bastante como para adquirir flotabilidad y ascender lentamente hacia la superficie.

• Esta roca súper caliente pueden ser la fuente de la actividad volcánica.

Litosfera y Astenosfera• Es la capa externa de tierra, q incluye el manto

externo y la corteza, forman una caparazón relativamente rígida y fría.

• Consiste en materiales de composición química diferente y se comportan de manera similar frente a la deformación mecánica.

• Tiene un grosor medio de 100 km, la litosfera puede extenderse a 250 km mas, por debajo de porciones mas antiguas (escudos). de los continente.

• Dentro de las cuencas oceánicas la profundidad de la litosfera es de pocos kilómetros, de bajo de los dorsales aumente hasta casi los 100 km

Figura 3.13 Localizaciones respectivas de la astenosfera y la litosfera

Litosfera y Astenosfera• De bajo de la litosfera (a una prof. de 660 km se

encuentra una capa blanda relativamente débil, localizada en el manto superior, conocida como Astenosfera.

• A la profundidad de la astenosfera superior, las rocas están muy cerca de su T de fusión de manera q son fácilmente deformables.

• El aumento de la presión compensa los efectos de mayor T. por consiguiente esos materiales van aumentando gradualmente su rigidez con la profundidad, formando el manto inferior mas rígido.

Núcleo• Es la esfera central densa de la tierra, con

un R=3486 km.• La T supera los 6700 C, a medida que se

obtenían datos sísmicos, se descubría que el núcleo consiste en una capa externa liquida de unos 2270 km de grosor y un esfera interna sólida con un radio de 1216 km

Densidad y Composición

• La característica mas interesante del núcleo es su gran densidad, q es de aprox. 11 g/cm3.

• Su composición oscila entre meteoritos de tipo metálico, fundamentalmente compuestos por Fe, cantidades menores de Ni y meteoritos rocosos.

Origen• La existencia del núcleo central metálico esta bien

establecida.• Su origen sugiere q el núcleo se formo al principio de la

historia de la tierra, era un cuerpo relativamente homogéneo.

• La tierra entera se calentó por la energía liberada, por la colisiones de partículas que caían sobre la tierra; en este periodo de crecimiento la T interna de la tierra, era lo bastante elevada como para fundir y movilizar el material acumulado.

• Los materiales pesados ricos en Fe, se reunieron y hundieron hacia el centro y los ligeros flotaron hacia arriba.

• En su etapa de formación, todo el núcleo era probablemente liquido, cuando la tierra empezó a enfriarse el Fe del núcleo empezó a cristalizar y empezó a formarse el núcleo interno

Maquina térmica del interior de la tierra

• La temperatura aumenta gradualmente con la profundidad a un ritmo conocido como gradiente geotérmico, el cual varia de un lugar a otro.

• En la corteza las Ts aumentan a 20 – 30 C/km, sin embargo la velocidad de aumento es menor en el manto y en el núcleo.

• A una profundidad de 100 km la T supera los 1200 C.

• En el limite núcleo manto se calcula que es unos 4500 C y puede superar los 6700 C en el centro de la tierra

Contribución al calor interno de la tierra• El calor emitido por la desintegración radiactiva de

los isótopos de U, Th y K.• El calor liberado, cuando el Fe cristalizo el núcleo

interno solidó.• El calor liberado por la colisión de partículas

durante la formación de nuestro planeta.• El primero de los procesos sigue activo, su

velocidad de generación de calor es mucho menor q en el pasado geológico.

• En la actualidad nuestro planeta irradia hacia el espacio mas cantidad de su calor interno de la que es generada por esos mecanismos.

• Por consiguiente la tierra se esta enfriando con lentitud.

Figura 3.14 Gradiente geotérmico calculado para la Tierra. Las temperaturas del manto y el núcleo se basan en diversas suposiciones y pueden variar 500 0C.

Flujo de calor en la corteza• En la corteza, el flujo de calor se produce

por el familiar proceso de conduccion• La conducción, que es la transferencia de

calor a traves de la materia por actividad molecular, se produce a un ritmo lento en las rocas de la corteza ( frió en la parte superior y caliente en la parte inferior).

• A lo largo de las cordilleras mesoceánicas, las velocidades de flujo del calor son relativamente elevadas

Flujo de calor en la corteza• En los antiguos escudos, se observa un

flujo de calor relativamente bajo.• Esto quizá se deba a que esas zonas

tienen una litósfera gruesa que aísla de manera eficaz la corteza del calor astenosférico inferior.

• Otras regiones de la corteza exhiben un elevado flujo de calor por intrusiones ígneas superficiales

Conveccion del manto• Dentro de la corteza, se produce un gran

aumento de la temperatura, pero la misma tendencia no continua a traves del manto.

• La conveccion es la transferencia de calor mediante el movimiento o la circulación en una sustancia. Por consiguiente, las rocas del manto deben ser capaces de fluir.

• El flujo convectivo del manto (mediante el cual, la roca caliente menos densa asciende, y el material más frio y mas denso se hunde) es el proceso mas importante que actúa en el interior de la tierra

Conveccion del manto• Este flujo, térmicamente impulsado, es la

fuerza que propulsa las placas litosféricas rígidas a través del planeta, y genera en ultima instancia las cordilleras de la tierra y la actividad volcánica y sísmica de todo el mundo

• Las plumas de rocas supercalientes, parecen que se generan en el limite núcleo-manto, desde donde ascenderían lentamente hacia la superficie, en el mecanismo convectivo que actúa en el manto