Locos por la Geología

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Hoy completaremos el tema que nos ha ocupado durante tres semanas consecutivas.

En la primera parte contesté las siguientes preguntas:

¿Qué movimientos de gran extensión areal explica la isostasia?

¿Qué se entiende por isostasia?

¿Cómo se reconoció la ocurrencia de este proceso?

En la semana siguiente retomé respondiendo las siguientes preguntas:

¿Qué teorías surgieron inicialmente para explicar el déficit de densidad que se estableció empíricamente?

¿Cuál de estas teorías sobrevive, y cómo se la puede explicar de manera sencilla?

¿Qué modificación se introdujo más tarde?

Y hoy, en el tercer post se verán los siguientes tópicos:

¿Puede demostrarse la teoría de Airy mediante cálculos reales?

Por cierto que sí, y para eso les he puesto el gráfico que ilustra este post. Sólo tienen que analizarlo. Fíjense que las montañas más altas tienen raíces más profundas que las zonas planas, tal como veníamos diciendo en los otros dos posts anteriores. Pero vayamos por partes.

Primero recordemos que la corteza es menos densa que el manto y tiene una zona límite  dentro del intervalo entre 40 y 70 Km de profundidad. En esa zona, la densidad promedio de los materiales ronda los 2,8 g/cm3, tal como se ve en el dibujo. Por debajo, la densidad aumenta a valores próximos a 3,3. Según les expliqué en la parte 1 de este tema, el lunes pasado, la masa que interviene en la fórmula de la atracción gravitacional es el producto del volumen por la densidad. También en el dibujo se ve cómo, al afectar distintos volúmenes por las respectivas densidades, según cuán profundamente ocurra el cambio entre materiales corticales y mantélicos, todas las diversas columnas (que representan distintos relieves) alcanzan el mismo valor a una profundidad próxima a los 100 km. Eso es lo que se entiende como compensación isostática y es el concepto central de todo el fenómeno.

¿Cómo pueden sintetizarse los conceptos básicos de la isostasia?

Esta pregunta vale como síntesis de todo lo ya explicado, pero la incluyo por la importancia del tema para ir abordando los temas más sustantivos del actual paradigma geológico.

Isostasia es al fin, la condición de equilibro gravitacional que presenta la parte superficial de la Tierra, en función de diferencias de masa de sus diversos relieves. Se manifiesta a través de  movimientos verticales (epirogénicos).

En una comparación algo grosera, podría decirse que la corteza «flota» sobre el manto como un iceberg en el océano, o como un taco de madera en un balde con agua. Esto es posible porque el manto es más denso que la corteza, y esta última se hunde en él, en un porcentaje variable, que aumenta cuanto más alto es el relieve superficial.

En una profundidad aproximada a los 100 km, las masas se compensan, de modo que se alcanza un equilibrio, que dados los permanentes cambios propios de la dinámica geológica, tanto endógena como exógena, se va ajustando permanentemente, a través de movimientos que pasan desapercibidos en el corto plazo pero tienen importantes efectos en tiempos geológicos.

¿Qué consecuencias tiene la isostasia en la estructura general y la dinámica de la Tierra?

En primer lugar, en lo que hace a la estructura interna de la Tierra, explica que el límite entre corteza y manto no sea asimilable a un plano simple, sino que se parece más a una imagen especular del relieve superficial, yendo hacia abajo en las zonas montañosas y hacia arriba en las áreas bajas.

En cuanto a los procesos, ya les he dicho varias veces que el equilibrio isostático es dinámico, de modo que si el relieve superficial disminuye su masa por efectos tales como la erosión, la raíz profunda asciende para compensar el déficit de masa. Esto se llama alivio isostático, y tiende a restablecer el equilibrio.

Esto explica por qué pese a la intensa erosión que sufren las zonas elevadas, no desaparecen como tales, puesto que al ir desgastándose, van también ascendiendo por isostasia. Por supuesto hay algún grado de rebajamiento porque la erosión normalmente procede con mucha más velocidad que el alivio isostático.

A la inversa, cuando alguna masa se suma a un área baja, la isostasia hace descender el conjunto. Esto sucede ya sea por el avance de los hielos sumando grandes pesos, (el retroceso glaciario produce el efecto contrario, obviamente) o por apilamiento de materiales sedimentarios procedentes  de la erosión de las áreas elevada adyacentes.

Un ejemplo muy claro es el progresivo ascenso de la península escandinava, ante la retirada de la última glaciación.

También puede romperse el equilibrio isostático por movimientos tectónicos, como un plegamiento que acumula gran cantidad de materiales en una región específica.

Los ascensos y descensos isostáticos explican otros muchos procesos que iremos viendo en otros posts, pero éstos son los ejemplos clásicos que deben tener bien claros desde ahora mismo.

Si este post les ha gustado como para llevarlo a su blog, o a la red social, por favor, mencionen la fuente porque esta página está registrada con IBSN 04-10-1952-01.
Un abrazo y hasta el miércoles. Graciela.

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El gráfico que ilustra el post es del libro «The evolving earth» de Sawkinns, Chas, Darby y Rapp.

Hoy continuamos con un tema tan sustancial para la comprensión cabal de toda la Tectónica Global o de Placas, que lo he dividido en tres partes que nos ocuparán por tres semanas consecutivas.

En  el primer post de esta serie, contesté ya las preguntas más básicas, a saber:

¿Qué movimientos de gran extensión areal explica la isostasia?

¿Qué se entiende por isostasia?

¿Cómo se reconoció la ocurrencia de este proceso?

En esta segunda parte retomamos, respondiendo a nuevas preguntas:

¿Qué teorías surgieron inicialmente para explicar el déficit de densidad que se estableció empíricamente?

La explicación general fue casi inmediata, hay menos densidad de la calculada, y por eso la fuerza resultante desvía la plomada según un ángulo menor del esperado, pero ¿dónde está la deficiencia de densidad? Eso es lo que distintos autores interpretaron de diferente manera, surgiendo así las dos grandes teorías que en un  primer momento compitieron entre sí: la de Pratt y la de Airy, que están representadas en el esquema que ilustra el post.

J. H. Pratt estimó que si las montañas tenían una influencia gravitacional deficitaria, podía deberse a que tuvieran un núcleo central hueco, o bien a que simplemente su densidad era menor que la de las áreas planas. Asumió así un modelo en el que había variaciones laterales de densidad, proporcionales a la altura de las masas involucradas, tal como se ve en la porción señalada con la letra A en el dibujo. Allí se ve que cuanto más alto es el relieve, menor densidad le atribuía Pratt.

En el lado B se observa la teoría de Airy. Según su hipótesis, hasta la profundidad teórica de equilibrio, aproximadamente situada a unos 100 km de profundidad, las masas montañosas, de material cortical menos denso, «flotan» en el manto, de alguna manera medianamente semejante a como lo harían trozos de madera de distinto espesor sumergidos en agua. Los más gruesos se hunden más y los más finos se hunden menos.

Mutatis mutandi, es decir cambiando lo que hay que cambiar, su conclusión fue que la corteza poco densa debería ser más gruesa, o internarse más profundamente debajo de las montañas que debajo de las regiones bajas adyacentes.

Usemos un ejemplo algo burdo pero que dejará bien en claro el fenómeno. Supongamos que vamos de compras al supermercado, y apilamos 10 productos de distintos precios, simulando las montañas. El volumen equivale al número de productos, mientras que sus precios representarán en el ejemplo, la densidad de esas masas montañosas.

Primero veamos por qué cambia la suma total a pagar (que sería la masa, ya que es el volumen por la densidad). Supongamos 10 productos que apilamos así:

6  de  1$ ——- 6$

3 de  2$——–6$

1 de  3$——–3$

Suma total= 15$,  equivalente en el ejemplo a la masa que ejerce atracción sobre la plomada.

Ahora conservemos el volumen (cantidad de productos= 10) pero cambiemos su densidad (precio) y ¿qué pasa?

7  de  1$ ——- 7$

2 de  2$——–4$

1 de  3$——–3$

Suma total =14$ Seguimos teniendo diez productos, pero su masa ha cambiado porque la densidad es lo diferente. Tenemos más materiales menos densos (o produtos más baratos) que antes, y la masa al ser menor, desviará menos a la plomada. Okey, explicamos por qué una montaña parece menos densa de lo esperado.  En los hechos tiene más volumen de menor densidad (7 productos contra 6 de antes) que en la idea teórica previa. Pero ¿qué pasa si comparamos masas de distinto volumen?

Probemos con menos productos, lo que dará una pila menor. Ya no podemos poner menos de un producto de la mayor densidad (3$) de modo que cambiaremos el resto.

5  de  1$ ——- 5$

2 de  2$——–4$

1 de  3$——–3$

Suma total= 12$. Se cumple el déficit de densidad, pero a través del mecanismo de tener un apilamiento poco denso bastante menor que la otra masa montañosa.

En otras palabras, las montañas más altas «hunden sus raíces poco densas más profundamente en el material más denso subyacente». Si volvemos  al ejemplo de los productos, la montaña más baja, de sólo 8 productos, en un apilamiento de apenas 5, encuentra antes el material más denso que está abajo. El apilamiento de 10 productos (montaña de más volumen), requiere una parva de 7 para alcanzar ese cambio. Ésas son sus raíces más profundas.

¿Se entendió?

¿Cuál de estas teorías sobrevive, y cómo se la puede explicar de manera sencilla?

Obviamente la de Airy, según la cual, los relieves más altos tienen una prolongación en profundidad, de más espesor que los relieves bajos. Es muy semejante a una balanza de platillos, en la que si hay más material, el platillo se hunde más; y se hunde menos si hay menos material en él. Es el principio de la isostasia: los relieves elevados generan una suerte de hundimiento en el material subyacente, mientras que en los más bajos ese efecto se atenúa. Ya veremos la semana próxima las consecuencias geológicas de este proceso.

¿Qué modificación se introdujo más tarde?

Hacia los años 50 del siglo pasado,Vening Meinesz desarrolló su modelo de isostasia regional o flexión litosférica, a partir de estudios realizados en los Himalayas. En ellos demostró que la raíz cortical era aún menor que lo que predecía la teoría de Airy. Según su modelo, la litosfera actúa en su conjunto como una placa elástica que distribuye las cargas topográficas sobre una región muy extensa, más que sobre las columnas individuales representadas por cada montaña. La modificación es válida, pero no afecta los principios básicos que permanecen como tales.

En el tercer post se verán los siguientes tópicos:

¿Puede demostrarse la teoría de Airy mediante cálculos reales?

¿Cómo pueden sintetizarse los conceptos básicos de la isostasia?

¿Qué consecuencias tiene la isostasia en la estructura general y la dinámica de la Tierra?

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Un abrazo y hasta el miércoles. Graciela.

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

Esquema teórico, en el que no se ha respetado escala alguna. Imaginen si no, ¡qué pedazo de plomada deberían haber transportado esos estudiosos!

Hoy comenzaremos a tratar un tema que es sustancial para la comprensión cabal de toda la Tectónica Global o de Placas, como también se la conoce. Por eso iremos pasito a paso, y lo veremos en tres partes, a subir en tres semanas consecutivas.

Hoy contestaré las primeras y más básicas preguntas, a saber:

¿Qué movimientos de gran extensión areal explica la isostasia?

En un post no muy lejano les expliqué que la arquitectura terrestre responde en gran medida a porcesos de enorme extensión areal que pueden agruparse esencialmente en dos grupos bien diferenciados- aunque en ese post les expliqué otros dos grupos más, de menor relevancia- a los que se conoce como orogénicos y epirogénicos. Pues bien, la isostasia es la principal responsable de estos últimos, que tienen una dirección de desplazamiento radial respecto al esferoide terrestre. Les recomiendo repasar ese post.

¿Qué se entiende por isostasia?

La palabra isostasia procede de dos vocables griegos: Isos,  que significa igual, y  stásis, que indica paralización o inmovilidad, lo que nos lleva a reconstruir el significado como «permanecer igual», remitiéndonos a una condición de equilibrio.

En una primera aproximación, que se irá ajustando a medida que comprendamos todos los fundamentos del proceso, puede decirse que la isostasia es la tendencia de todas las grandes masas de la corteza terrestre, y de parte del manto superior a alcanzar una posición de equilibrio gravitacional dinámico, fluctuante y autoregulado, respecto a las masas circundantes. Por supuesto, los ajustes se producen a lo largo de cientos, miles o millones de años. No debemos pensarlos como respuestas inmediatas, sino muy graduales.

¿Cómo se reconoció la ocurrencia de este proceso?

Hacia 1735, Pierre Bouguer realizó una expedición científica a los Andes de Perú, y realizó mediciones en las que observó que la desviación que respecto a la vertical inducía sobre una plomada la masa montañosa, era bastante menor que la esperada. El fenómeno llamó su atención como para relatarlo en sus memorias de viaje, y fue nuevamente observado por  Sir George Everest un siglo más tarde en 1840.

En ese momento, se buscó una explicación científica y para ello se aplicó la ley de la gravedad, pues ya era sabido que la plomada sería atraída por la masa montañosa. Lo que debía explicarse era por qué el cálculo teórico de la atracción esperada- manifestada en el ángulo de desviación de la plomada que pueden ver en el dibujo- era hasta tres veces mayor que el  resultante del ángulo de desviación real medido en el campo.

Considerando que ya los métodos de cubicación, afinados en la minería, permitían un cálculo bastante aproximado del volumen del cuerpo montañoso involucrado, bastaba con analizar la fórmula básica de la atracción gravitatoria, para buscar por dónde se introducía el error en el resultado obtenido. En un post anterior les he explicado el tema de la ley de la gravedad en detalle, pero recordemos que la expresión matemática de la Fuerza de atracción gravitacional es:

F= G m.m’/ r2

Donde:

F= fuerza de atracción de la Gravedad.
G= es un valor constante y conocido.
m y m’= son las dos masas involucradas en este fenómeno de atracción. En nuestro caso, la plomada y el monte aledaño.
r = es la distancia que separa a las masas en cuestión, perfectamente medida en el experimento.

Obviamente, el ángulo medido responde directamente a la fuerza de atracción ejercida, en este caso por la masa montañosa, es decir que el resultado inesperado se debe a alguna medición también errónea de los elementos de la fórmula. Pero sucede que todos son valores perfectamente conocidos. En efecto, G es constante; la masa de la plomada es fácilmente determinada, y la distancia desde la ladera, sólo puede incluir errores muy pequeños, a menos que uno sea muy nabo.

Pero… y ahí está¡ el quid de la cuestión, la masa de la montaña se calcula a partir de su volumen que es medido por métodos tradicionales. Y sabemos que:

Densidad= masa /volumen.

o lo que es lo mismo,

masa (m) = volumen por densidad. ¡et voilá!

Si no somos tontos, sabemos calcular el volumen, de modo que el único error que puede explicar por qué la montaña atrae menos de lo esperado a la plomada, es porque su masa es más pequeña de lo calculado, y ¿por culpa de quién? Pues de la densidad que es menos de la que se había considerado en el esquema teórico original.

En otras palabras, el misterio ahora a explicar es de dónde sale ese déficit de densidad. ¿Les va gustando esta novelita de suspenso?

Pues entonces, si quieren conocer el desenlace, recuerden que hasta aquí será¡ el tema de hoy, y retomaremos en la semana próxima respondiendo las siguientes preguntas:

¿Qué teorías surgieron inicialmente para explicar el déficit de densidad que se estableció empíricamente?

¿Cuál de estas teorías sobrevive, y cómo se la puede explicar de manera sencilla?

¿Qué modificación se introdujo más tarde?

En el tercer post se verán los siguientes tópicos:

¿Puede demostrarse la teoría de Airy mediante cálculos reales?

¿Cómo pueden sintetizarse los conceptos básicos de la isostasia?

¿Qué consecuencias tiene la isostasia en la estructura general y la dinámica de la Tierra?

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Un abrazo y hasta el miércoles. Graciela.

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 6.000ºC de temperatura.

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

Figura1

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 también 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