Locos por la Geología

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Un año más, la Fundación J. García-Siñeriz convoca su Premio de Geofísica, consistente en:

· Premio de Tesis Doctoral en Geofísica J. García Siñeriz. (5.000 €)

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Hace ya unas semanas, les expliqué en detalle, cómo es que se fue conociendo el interior de la Tierra, y les adelanté también algunas de sus características. Ahora es el momento de resumir el conocimiento,  presentando las geosferas o capas concéntricas que componen la Tierra.

¿Existe un único modelo para representar las geosferas?

En realidad no, ya que pueden aplicarse distintos criterios para  analizar y representar el interior terrestre y las capas concéntricas que lo componen. Esos criterios son básicamente dos, con otros tantos modelos resultantes de su aplicación.

¿Cuáles son los modelos existentes?

Los dos modelos son: el geoquímico, que apunta a las diferencias que van sucediéndose en la composición química de la Tierra, según se profundiza en ella; y el modelo dinámico o reológico, que se sustenta sobre los cambios en la forma de reaccionar los diversos materiales a las fuerzas de deformación propias de la dinámica endógena.

Se define a la Reología como la parte de la ciencia física que estudia la deformación y el fluir de la materia, es decir, básicamente se trata de analizar la relación existente entre el esfuerzo y la deformación que éste produce en los materiales que tienen alguna posibilidad de fluir, al menos en cierto grado.

¿Cómo se conocen los datos sobre el modelo geoquímico, y cuáles son las capas incluidas en él?

La composición química del interior de la Tierra sólo puede conocerse por observación directa a lo largo de los primeros kilómetros, a los que se tiene acceso mediante perforaciones profundas con la consecuente extracción de muestras. Para capas más profundas, pueden hacerse inferencias estudiando la composición de los magmas que traen material al exterior durante las erupciones y efusiones volcánicas. Otro núcleo de informaciones procede de datos geofísicos, sobre todo del análisis de las ondas sísmicas, tal como las he explicado en numerosos posts anteriores, y de métodos como gravimetría, etc, de los que hablaremos también.

El resultado de todas estas deducciones, se observa en la figura que ilustra el post, donde las geosferas no están representadas de manera exacta en lo que hace a los espesores relativos; es decir que no  se respeta escala alguna.

Las geosferas según este modelo geoquímico son:

• Corteza: corresponde a la zona más superficial de la Tierra con espesor variable, pero que no alcanza más allá de los 70 km de profundidad. Es sólida y mucho menos densa que la capa que la subyace. Los elementos más importantes en su composición son el oxígeno, el silicio, el aluminio y el hierro. Se distinguen dos tipos de corteza: la corteza continental y la corteza oceánica, separadas por la discontinuidad de Conrad, y que suelen conocerse como sial y sima respectivamente, ya que la primera es más abundante en Silicio y Aluminio, y la segunda en Silicio y Magnesio. Ya vimos en un post anterior que su límite inferior es la discontinuidad de Mohorovicic.
• Manto: comprende hasta el 82% del volumen total, extendiéndose desde el límite inferior de la corteza hasta los 2.900 km de profundidad aproximadamente. Su densidad media es de 5,6 g/cm3, y se presenta como una capa sólida, pero con grados variables de rigidez entre unas zonas y otras. Su composición dominante es de rocas llamadas peridotitas, que contienen oxígeno, silicio, hierro y magnesio.
• Núcleo: constituye el 16% del volumen total de la Tierra; y según ya vimos en otro post, tiene una parte externa fluida o pastosa (Núcleo externo) y una parte interna  sólida (Núcleo interno), que alcanza densidades muy altas, comprendidas entre 14,5 y 18 g/cm3. Se supone que está compuesto por un 90%, aproximadamente, de hierro, y alrededor  de 10% de níquel. En ese interior profundo, los materiales están sometidos a presiones de hasta 3.000.000 de atmósferas, y hasta 6.000 ºC de temperatura.

¿Cómo se conocen los datos sobre el modelo reológico, y cuáles son las capas incluidas en él?

Figura 1

Se llega a conformar este modelo, básicamente siguiendo los pasos que he señalado en el post que ya he linkeado más arriba, y las geosferas internas resultantes son las que se ven en la Figura 1, a saber:

• Litosfera o litósfera según algunas grafías: es la capa más superficial entre las geosferas internas de la Tierra. Se trata de materiales rígidos y fríos, en comparación con los subyacentes. No se presenta como una capa continua, sino que está compuesta por placas irregulares que encajan entre sí, y que se desplazan unas respecto a otras. Esta configuración es la clave fundamental del actual paradigma de la Geología, es decir la Tectónica Global o de Placas.
• Astenosfera o astenósfera: es la capa que está por debajo de la litosfera,  en la que las ondas sísmicas se desaceleran, respondiendo a un estado más plástico que las rocas superiores. Es un tema de sumo interés que nos ocupará muchas veces, y es de verdad apasionante. Se encuentra a una profundidad promedio aproximada a los 100 km, y no se la encuentra en todo el planeta.
• Manto o mesósfera: desde aquí hacia abajo, las definiciones se repiten en ambos modelos.
• Núcleo externo.
• Núcleo interno.

Hay autores que llaman a ambos núcleos por un único nombre de Endósfera, aunque hay poco consenso al respecto, ya que en última instancia todas son capas internas, no solamente el núcleo.

Debo hacerles notar que en la Figura 1, la parte izquierda no respeta las proporciones relativas de los espesores de las distintas geosferas, para poder observar en detalle. En cambio, hacia la derecha, se replica la composición de la Tierra, pero esta vez con una escala que respeta las relaciones de espesor.

¿Qué representa la Figura 2?

La figura 2 es una construcción en la que les presento la síntesis de ambos modelos en un único gráfico, para que puedan ver las relaciones que ambas representaciones guardan entre sí. Como dice en el dibujo, no es un trabajo hecho a escala.

Aquí podemos observar que la litosfera del modelo reológico  comprende toda la corteza (señalada con el número 1) y la parte superior del manto del modelo geoquímico. A esta porción se la suele conocer como manto superior, manto anómalo, o manto a secas cuando se reserva para la porción inferior del manto, la denominación de mesosfera.

Ya saben ustedes que hay una discontinuidad que separa el sial del sima, que está aproximadamente a los 17 km de profundidad y que se llama Conrad, como está escrito en el mismo gráfico. Por último noten que la profundidad de la discontinuidad de Mohorovicic varía entre 40 y 70 km, generando la imagen aproximadamente especular del relieve que también aparece en el dibujo.

Observando el gráfico verán que el límite inferior de la litosfera es la astenosfera de la que ya hemos hablado, y cuya profundidad varía entre los 100 y los 300 km.

Por debajo de la astenosfera, aparece lo que algunos llaman manto inferior, y otros mesosfera. En el esquema ven un número 2 que abarca todo el manto, en el interior del cual, la astenosfera lo divide en manto anómalo o superior, y manto inferior, o mesosfera.

Los números 3 y 4 corresponden al núcleo externo e interno respectivamente, de los cuales ya hemos hablado. Recuerden que la discontinuidad de Gutenberg, a los 2.900 km de profundidad, señala el límite entre el manto y el núcleo, y la de Lehman a los 5.100 km aproximadamente, separa los dos núcleos entre sí.

¿Hay otras capas o geosferas además de éstas?

Eso es materia de opinión. Para algunos la atmósfera no forma parte del mismo conjunto, pero yo considero sus capas constituyentes, como las geosferas externas de la Tierra, y parte integrante del mismo sistema, porque la dinámica en la corteza sólo se explica de manera completa cuando se integran en ella los fenómenos que ocurren en la atmósfera.

Y existen además otras dos geosferas, que serían transicionales entre las internas que acabamos de describir, y las externas de la atmósfera. Ellas son la hidrosfera que incluye las aguas superficiales y las profundas, inclusive las juveniles o magmáticas, y la biosfera que ocupa partes de la corteza, la hidrosfera y la atmósfera… pero eso ya es parte de otro futuro post.

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Un abrazo y hasta el miércoles. Graciela.

P.S.: La imagen que ilustra el post es de este sitio; y la figura 1 es de aquí.  

La figura 2 es de mi propia cosecha.

Este trabajo debe citarse como:

Rouzaut, S.; Orgeira, M.J.; Vásquez, C.; Argüello, G.L. y Sanabria J.2011. Rock Magnetism in present soils in the center of Córdoba province. Resumen expandido. Latinmag Letters, Volume 1, number 2. D05 1-5. 2nd Biennial meeting Latinmag.Proceedings, Tandil. Argentina.

Rouzaut Et Al. Suel. Act. Latinm 2011 by Graciela L. Argüello on Scribd

En un post anterior, fui preparando el terreno para éste de hoy, explicando las muchas metodologías que dan indicios acerca de la composición interna de la Tierra.

En ese momento la conclusión era que la mejor metodología era, en definitiva la Sismología, ya que son precisamente los terremotos los únicos fenómenos capaces de liberar una cantidad de energía suficiente como para atravesar el planeta entero y traer a la superficie información desde el centro mismo de la Tierra.

Pero también por otro lado fui explicando algunos temas relativos a los sismos y las ondas que transmiten la energía que en ellos se genera; y todavía, en otras publicaciones les presenté nociones básicas acerca de los sistemas de registro.

Todos esos posts deberían ser revisados por ustedes antes de empezar a leer el de hoy.

De todos esos conceptos presentados en los posts que les recomiendo leer, es básico que recuerden que son las ondas p y las s las que se transmiten de manera profunda, y por ende, ellas serán las observadas con el objeto de entender el interior profundo.

La otra cosa que es básica, y ya les expliqué en detalle, es que las longitudinales o p, se transmiten en todos los estados de la materia; mientras que las s o transversales, sólo se desplazan en medios en estado sólido o pastoso muy denso. Si encuentran en su camino medios fluidos, comienzan a vibrar como ondas p, cesando su desplazamiento con carácter de ondas s.

Y ahora sí, veamos otros conceptos para avanzar en el conocimiento de la Tierra.

¿Qué sucede con las ondas sísmicas cuando atraviesan los límites de medios de diferente composición y/o estructura?

Todo lo que sucede cuando las ondas (en este caso sísmicas, pero podrían ser también otras, como veremos más adelante en otros posts, que pasa con las olas marinas) cuando inciden en la superficie de separación entre dos medios físicos diferentes, es debido fundamentalmente a sus propias características.

En efecto, cada tipo de ondas (p, s, etc.,) se desplazan en un medio dado, con una velocidad que es característica de la onda y del medio.

Ahora bien, si vamos a referirnos a una misma onda, su trayectoria va a depender ya exclusivamente de las condiciones del medio que esté atravesando. En general, cuanto más compacto es un medio, más rápidamente se traslada una onda por él.

En otras palabras, debido a que las sucesivas capas de la Tierra están sometidas cada vez a más presión, a medida que aumenta la profundidad, cabe esperar que sean ellas más compactas, y que la velocidad de las ondas aumente también.

Cualquier desviación de esa regla general, será motivo de análisis, pero no en este post, sino en otro a futuro.

Ahora me voy a referir al caso más general, en que la onda pasa de un medio de menor velocidad a uno de mayor velocidad.

Sea ése o no el caso, siempre en el pasaje de un medio a otro, ocurrirán al menos cuatro cosas con la energía, y el movimiento del rayo que asumimos como la representación más simple de la onda. Ese rayo es una abstracción que nos permite una mejor comprensión del fenómeno, pero recuerden que las partículas a lo largo del camino estarán vibrando en realidad, y que se transmitirán la energía unas a otras.

La energía se dividirá en fracciones correspondientes a:

• Absorción, pérdida o disipación, que significa que la energía al alejarse del punto de emisión será cada vez menor. Esto ocurre no sólo en la separación entre dos medios, sino a lo largo de todo el trayecto en cada medio también.
• Reflexión.
• Refracción.
• Difracción.

¿Qué es la reflexión?

Este fenómeno, que ocurre al pasar el rayo (que hemos imaginado para una mejor explicación), desde un medio a otro de diferente velocidad, implica el regreso de parte de la energía, siguiendo un camino que está bien predeterminado.

Si se asume una línea perpendicular a la superficie de separación de los dos medios, el rayo incidente define con esa línea, un ángulo igual al que describirá el camino del rayo que retorna al medio original. Veánlo en la figura 1.

Podemos representarlo concretamente con el rebote de una pelotita que arrojáramos contra la pared, y que si lo observamos con cuidado, también salta hacia atrás, formando con la perpendicular a la pared un ángulo igual al que trazó al golpear contra ella.

¿Qué es la difracción?

La difracción ocurre cuando la onda pasa de un medio a otro por una abertura estrecha, y una vez que la franquea, se distribuye en el otro medio como si se abriera en abanico.

¿Qué es la refracción?

Figura 1

Durante la refracción, el rayo atraviesa la superficie de separación, desviándose de la perpendicular a esa superficie.

Si se compara la dirección de refracción con la de incidencia, el rayo se alejará de la perpendicular mencionada arriba, si la velocidad del segundo medio es mayor, y se acercará en cambio, si la velocidad es menor.

La desviación responde a una ley  conocida como Ley de Snell y que se expresa matemáticamente como:

n₁ sen i = n₂ sen r,

donde
n₁ = índice de refracción del primer medio
n₂ = índice de refracción del segundo medio
sin i = seno del ángulo de incidencia
sin r = seno del ángulo de refracción

En todos los casos, el índice de refracción es función de la velocidad de transmisión de la energía de que se trate, en cada medio.

Permítanme que les explique por qué pasa esto. Vean la Figura 2, e imaginen una serie de rayos paralelos que llegan a la supeficie de separación de dos medios con un cierto ángulo como el que les he dibujado.

Pero imaginen un poco más: supongan que están observando un plano desde arriba, donde dos  personas (A y B en el dibujo) vienen corriendo mientras sostienen cada una el extremo de un palo (el que les dibujé de verde). La parte desde la que vienen corriendo tiene un suelo de arena, la que queda después de la superficie de separación (el trazo negro horizontal) es en cambio de cemento.

La persona A, (debido al ángulo en que vienen corriendo, y que representa el ángulo de incidencia de los rayos que se van a refractar) llega primero al cemento, y por ende, se acelera porque es mejor correr allí que en la arena.

Pero como A y B están unidos por el palo rígido, A se adelanta respecto a B, y la trayectoria del conjunto de los rayos que representan el frente de onda, se desvía, alejándose de la perpendicular a la superficie de separación de los medios, que es la línea celeste.

¿Entienden el mecanismo por el cual los rayos se alejan de la perpendicular al aumentar la velocidad del segundo medio respecto a la del primero?

Figura 2

¿Qué es el ángulo crítico?

Bueno, ahora piensen un poco, que si para cada ángulo de incidencia, la ley de Snell define un ángulo de refracción dado, llegará un momento en que para un cierto ángulo, digamos bastante próximo a la superficie de separación, la refracción será paralela a esa superficie. Ese ángulo de incidencia es llamado ángulo crítico. En todos los ángulos que superen al crítico, la refracción se pierde, y hay en cambio una reflexión total, es decir que toda la energía vuelve al medio de la cual procede. Vean la figura 3.

Figura 3

¿Qué sucede en profundidad con los estratos sucesivos?

Como adelanté un poco más arriba, en general, los estratos cada vez más compactos, aumentan la velocidad de los rayos que los atraviesan, de modo que se van alejando cada vez  más de la perpendicular, y acercándose en cambio a la superficie de separación entre los medios, y por ende al ángulo crítico.

¿Qué consecuencia práctica tiene todo lo dicho a la hora de definir las características profundas de la Tiera?

Es vital, porque esa tendencia a la reflexión total que se va haciendo más acusada a medida que aumenta la profundidad, es la que vuelve a las ondas sísmicas tan «serviciales» como para traer de regreso a la superficie información desde la profundidad del planeta. Entre las ondas reflejadas y las refractadas, podemos informarnos de lo que pasa en capas muy profundas, como lo sugiere el esquema que ilustra el post.

Con estas nociones previas, ya el próximo post sobre este tema será más sencillo de entender.

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Un abrazo y hasta el miércoles. Graciela.

P.S.: La imagen que ilustra el post es de este website.

La figura 1 es tomada de este sitio. La figura 2 es de