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Revista Geográfica Digital. IGUNNE. Facultad de Humanidades. UNNE. Año 10. Nº19. Enero -Junio 2013. ISSN 1668-5180 Resistencia, Chaco
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GEODIN
ÁMICA
GEODINÁMICA
LA TIERRA
ORIGEN Y CONSTITUCIÓN
Prof. Mg. Jorge Alfredo ALBERTO
Ing. Guillermo Antonio ARCE
Prof. Claudia Verónica GOMEZ
MATERIAL DE CONSULTA INTERCATEDRAS
ELABORACIÓN PROPIA A PARTIR DE LA COMPILACIÓN DE
BIBLIOGRAFÍA IMPRESA Y DE INTERNET
Profesorado y Licenciatura en Geografía
Departamento de Geografía
Facultad de Humanidades
Universidad Nacional del Nordeste
Publicado en formato digital: Prof. Mg. Jorge Alfredo ALBERTO - Ing. Guillermo Antonio ARCE – Prof. Claudia Verónica Gómez .
LA TIERRA. ORIGEN Y CONSTITUCION. Resúmenes. Revista Geográfica Digital. IGUNNE. Facultad de Humanidades. UNNE.
Año 10. Nº19. Enero –Junio 2013. Resistencia, Chaco. En: http://hum.unne.edu.ar/revistas/geoweb/default.htm
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OBJETIVO DEL ARTÍCULO El objetivo de este trabajo, basado en la compulsa de materiales impresos y de internet, consiste en brindar a los alumnos de la carrera de Geografía conceptos introductorios al origen y constitución del planeta Tierra, así como, caracterizar las diferentes herramientas y métodos de estudios utilizados para conocer y explicar su estructura interna.
Se pretende, por un lado, que se reconozcan y comprendan los procesos fundamentales que intervienen en la conformación de los componentes del sistema terrestre y las relaciones dinámicas que se establecen entre ellos, y, por otro, que se identifiquen y entiendan las dimensiones temporales y espaciales propias de los hechos geológicos y geomorfológicos que caracterizan el espacio geográfico presente. El trabajo se organiza sobre cuatro aspectos del estudio del planeta y su dinámica que se detallan a continuación:
El primero hace referencia, de manera escueta, a las características, constitución y evolución del planeta Tierra El segundo, trabaja sobre los planteos hipotéticos de estratificación interna de la Tierra, en las cuales se considera tanto su composición química (modelo estático) como sus propiedades mecánicas (modelo dinámico). El tercero, se centra en las diferentes métodos de estudio de algunos fenómenos que permiten caracterizar la constitución y la dinámica interna de la Tierra y cuyas consecuencias, pueden ser observadas sobre la corteza terrestre.
Finalmente, el cuarto aspecto, realiza una síntesis de los anteriores, respecto de la constitución y caracterización de la estructura interna de la Tierra.
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ESTRUCTURA DEL ARTÍCULO Características
Origen Evolución Hipótesis PLANETA TIERRA
Estructura interna y dinámica
Métodos de estudios
Modelos Estático y Dinámico
Sismos (liberación de energía)
Tipos de ondas P, S y (R y L) Procesos de convección (calor interno)
Convección Subducción
Magnetismo terrestre
Campo Principal
Campo Cortical
Campo Exterior
Deriva polar
Inversiones magnéticas
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Síntesis
Corteza terrestre
(bordes convergentes, divergentes, y transformantes)
Manto
(convección)
Núcleo
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LA TIERRA : SUS CARACTERÍSTICAS La Tierra, tercer planeta del Sistema Solar. Es el único planeta del universo que se conoce en el que exista y se origine vida.
CIRCUNFERENCIA ECUATORIAL
40.076,5 km
CIRCUNFERENCIA POLAR
40.008,6 km
VOLUMEN
1.083.230.000.000 km3
DENSIDAD MEDIA
5,52 (agua = 1 )
DIFERENCIA
67,9 km
MASA APROXIMADA
DIÁMETRO ECUATORIAL
12.756,34 km
DIFERENCIA
43,80 km
TEMPERATURAS
Máxima 58 °C
(en al – Aziziyah, Libia)
Mínima ‐89,6 °C
(en la Estación Vostok, Antártica)
SUPERFICIE TOTAL
510.100.000 km2
TEMPERATURA MEDIA DE LA SUPERFICIE
14 °C
DIÁMETRO POLAR
12.713,54 km
5,98 x 1021 toneladas
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LA TIERRA : SU ORIGEN El Sol, una estrella recién nacida estaba rodeada de un enorme disco de gas y polvo. A lo largo de millones de años se condensa este disco de materia dando lugar a la formación de los planetas.
La Tierra se forma de sustancias que se condensan a altas temperaturas como el hierro y níquel que precipita hacia el interior o centro por su densidad. Se cree que la Tierra primitiva era una bola de roca fundida. De ese momento primigenio hay muy poco material para evidencias, por ello a los primeros 500 millones de años se los conoce como eón oscuro o haleano.
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La Tierra se formó al mismo tiempo que el Sol y el resto del Sistema Solar, hace aproximadamente 4.600 millones de años.
ACOTACIÓN Con relación al último punto, en los últimos años, diferentes estudios de datación han fechado muestras de cristal de circonio de aproximadamente 4. 113
millones de años, es decir, estas muestras existen desde que la Tierra es un planeta .
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Probablemente, el proceso inicial de formación de la Tierra no fue diferente del que siguieron los otros planetas de la región interior del sistema solar, llamados rocosos (Mercurio, Venus y Marte).
LA TIERRA : SU ORIGEN 3
Cuando la tasa de colisiones
Disminuyó y la Tierra fue enfriándose, se formó
Corteza
una corteza primitiva que impidió la disipación brusca de la energía
interna.
434
Atmósfera
Calor interno
Atmósfera
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Durante muchos millones de años después de su formación, la Tierra primitiva continuó
recibiendo numerosos impactos de
planetesimales menores que ella.
Cada colisión liberaba 1
suficiente energía como
para fundir el cuerpo
impactante y
el área de impacto.
1
Estructuras en capas
2
2
La energía
Liberada en
tantos impactos
fundió la Tierra por
completo hasta transformarla en uno masa de magma. 4
La fusión facilitó
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que los materiales terrestres más densos migraran Metales y materiales densoshacia el interior por gravedad , y
los más ligeros, hacia la superficie. Los gases desprendidos de las rocas fundidas formaron la atmósfera.
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LA TIERRA : ESTRUCTURA INTERNA Como resultado del proceso de migración de materiales según su densidad en los inicios de la formación del planeta, se reflexiona que la Tierra, en la actualidad, está estructurada MODELO
en una serie de capas más ESTÁ
ESTÁTICO
o menos concéntricas, con un espesor que, para las capas más profundas, puede considerarse CORTEZA
aproximadamente constante.
LITOSFERA
ASTENOSFERA
MANTO
SUPERIOR
MESOSFERA
MANTO
INFERIOR
NUCLEO
NUCLEO
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Esta estratificación se observa tanto considerando su composición química como sus propiedades mecánicas. Así, a partir de la composición química (modelo estático), distinguimos la Corteza, el Manto y el Núcleo, mientras que según sus propiedades mecánicas (modelo dinámico) destacamos la Litosfera, la Astenósfera, la Mesosfera y el Núcleo
MODELO
DINÁ
DINÁMICO
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LA TIERRA : HIPÓTESIS SOBRE LA ESTRUCTURA INTERNA J.A.Alberto – G.A.Arce – C.V.Gomez / 2013
Según su composición química
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LA TIERRA : ESTRUCTURA INTERNA EL MODELO GEOQUÍMICO
I n t e n t a d e t e r m i n a r l a c o m p o s i c i ó n q uímica d e l i n t e r i o r t e r r e s t r e . A s í , considera que alrededor del 94% de la masa total de la Tierra está compuesto por un número muy reducido de elementos químicos en las s i g u i e n t e s p r o p o r c i o n e s respecto de dicha masa total: h i e r r o ( 3 4 , 6 % ) ; o x í g e n o (29,2%); silicio (15,2%) y m a g n e s i o ( 1 5 , 2 % ) . E s t o s e l e m e n t o s q u í m i c o s s e combinan formando minerales y se distribuyen en el interior de la Tierra en tres capas: la Corteza, el Manto y el Núcleo. COMPOSICIÓN QUÍMICA
PROPIEDADES FÍSICAS
Tiene en cuenta que la presión y la temperatura afectan mucho al comportamiento mecánico, a la densidad y al estado fisicoquímico de los materiales del interior de la Tierra. Por eso establece unas capas que no coinciden con las capas composicionales y que explican más detalladamente otras discontinuidades que aparecen en los estudios sísmicos. Son la Litosfera, la Astenósfera, la Mesosfera y la Endosfera, formada por el núcleo externo y el interno.
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EL MODELO DINÁMICO
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MODELO DINÁMICO
LA TIERRA : ESTRUCTURA INTERNA Los conocimientos sobre estas capas se obtienen principalmente de la sismología y la gravimetría.
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MODELO ESTÁTICO
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LA TIERRA : ESTRUCTURA INTERNA
Los sismos como un método de estudio
Los conocimientos sobre la estructura y dinámica interna de la Tierra se deducen en forma indirecta de la sismología y la gravimetría.
Sismología
La Sismología es la rama de la Geofísica que estudia los sismos y fenómenos conexos. Además, investiga la estructura interna de la Tierra, mediante el análisis de la propagación de las ondas sísmicas por el interior y la superficie de la misma. ESCARPE DE FALLA
EPICENTRO
Sismo (Terremoto)
Es común utilizar el término Temblor para calificar los sismos de regular intensidad que no causan grandes daños y la palabra Terremoto para los sismos de gran intensidad. Sin embargo el término Terremoto puede ser empleado para calificar cualquier sismo, ya que significa movimiento de tierra. HIPOCENTRO
ONDAS
SISMICAS
FALLA
El foco o hipocentro es el lugar preciso donde se produce la fractura y/o desplazamiento inicial en la falla que da origen al sismo, es decir, donde se libera la energía y del cual proviene la primera onda sísmica que se registra. Al punto situado en la superficie justo encima del foco, es llamado epicentro. Publicado en formato digital: Prof. Mg. Jorge Alfredo ALBERTO - Ing. Guillermo Antonio ARCE – Prof. Claudia Verónica Gómez .
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El concepto Sismo representa el proceso físico de liberación súbita de energía de deformación acumulada en las rocas del interior de la Tierra, que se manifiesta por fractura y/o desplazamiento de bloques anteriormente fracturados. Una parte importante de la energía liberada en este proceso se propaga en forma de ondas sísmicas, las cuales son percibidas en la superficie de la Tierra como una vibración. 10
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LA TIERRA: LOS SISMOS
Ondas Sísmicas [Reflexión – Refracción] REFLEXIÓN
REFRACCIÓN
La estructura del interior de la Tierra se conoce por los registros de las ondas sísmicas que viajan por el interior de la Tierra, interpretados con base en los principios de la reflexión o refracción.
Ángulo de incidencia
Ángulo de
ɵ1
reflexión
ACOTACIÓN
Medio 1
Se considera Refracción al cambio de velocidad y también de dirección al pasar un rayo vibratorio de un medio 1 (por ejemplo, suelo) a otro diferente , medio 2 (por ejemplo, roca), según la ley de Snell:
Medio 2
sen ɵ1 = n1
sen ɵ2 n2
Donde: n1 = Velocidad del medio 1
n2 = Velocidad del medio 2
Ángulo de refracción
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La propagación de ondas sísmicas sigue las leyes físicas de la óptica geométrica de reflexión y refracción. Estas ondas sísmicas
son elásticas y, dependiendo de la naturaleza del material que encuentren, pueden rebotar (reflexión) o atravesarlo (refracción). 11
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Ondas Superficiales
LA TIERRA: LOS SISMOS Ondas de Cuerpo [P – S] y Superficiales [R – L]
Ondas Sísmicas
Son ondas elásticas, comúnmente llamadas vibraciones, que se originan en la fuente que produjo el sismo. Viajan por el interior y la superficie de la Tierra y, según el tamaño del sismo y la distancia al epicentro, pueden ser percibidas por las personas.
PP
S
manto superior
Ondas de cuerpo
manto inferior
núcleo externo
núcleo interno
P
PP
Ondas Superficiales
S
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Para el estudio de la constitución interna del planeta, sólo son interesantes las ondas P y S, pues son las únicas que se propagan por el interior .
P
P
La detección y registro de las ondas sísmicas se realiza por medio de aparatos denominados sismógrafos, los cuales efectúan un registro gráfico de las vibraciones del terreno llamado sismograma. Los sismógrafos ubicados a suficiente distancia del foco del seísmo registrarán los diferentes tipos de ondas sísmicas separadamente y siempre en el mismo orden: primero las ondas primarias (P), luego las secundarias (S), y sucesivamente las ondas superficiales (R y L) Sismógrafo
Foco
tiempo
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Ondas Primarias [ P ]
Ondas Secundarias [ S ]
ondas P
ondas S
Los sismógrafos registran las ondas P antes que las S
Los sismógrafos no registran onda alguna (zona de sombra sísmica)
Los sismógrafos no registran las ondas S
Los sismógrafos registran solamente las ondas P
Cada tipo de onda viaja a diferentes velocidades y al cambiar de medio pueden cambiar de velocidad y dirección de propagación. En los sismogramas se registran los distintos tiempos de llegada de cada una de ellas. Las ondas P se refractan y disminuyen de velocidad al pasar del manto al núcleo exterior. Esto crea una zona de sombra.
Las ondas S, que por su naturaleza no se propagan en medios líquidos, no atraviesan el núcleo externo. Lo que origina otra zona de sombra.
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epicentro del sismo
Durante un terremoto se producen diversas ondas sísmicas, unas viajan por el interior de la Tierra: son las ondas de cuerpo primarias (P) y secundarias (S), son las más rápidas. Otras ondas viajan por su superficie: ondas superficiales Rayleigh (R) y Love (L).
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PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SÍSMICAS
CARACTERÍSTICAS
P
PRIMARIAS O LONGITUDINALES
VELOCIDADES
Son más veloces. Se propagan por el interior del planeta
Vp > Vs y Vsuperficial
LARGAS O SUPERFICIALES
Se propagan por el interior del planeta Son las más lentas. Sólo se propagan en superficie
Transversal
Dv transversal Dp
Rayleigh Love
Dv orbital Dp Dv Transvers Dp
Dp
μ
K + 4/3 μ
Vp =
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN
L
Vs = d
A mayor densidad (d), menor Vp
A mayor rigidez (μ), mayor Vp
Pueden atravesar medios fluidos
d = Densidad del medio que atraviesan.
K = módulo de incompresibilidad del medio que atraviesan.
µ = Coeficiente de rigidez del medio que atraviesan.
d
No pueden atravesar medios fluidos ( en un medio fluido μ= 0)
Dv= Dirección de vibración
Dp = Dirección de propagación
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DIRECCIONES DE PROPAGACIÓN Y VIBRACIÓN
Longitudinal
Dv = Dp
S
SECUNDARIAS O TRANSVERSALES
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PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SÍSMICAS
Las ondas P disminuyen su velocidad al pasar de un medio rígido a uno plástico o líquido.
Ondas S son de cizalla, las partículas se mueven perpendicular‐
mente a la dirección de propagación de las ondas. Las ondas S no se propagan en medios fluidos Las Ondas de superficie son Rayleigh [R] y Love [L] . Son las más lentas y las que más se sienten, causando daños a las estructuras y construcciones, y sumando pérdida de vidas humanas.
Rayleigh [R]
Love [L]
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Ondas P son de compresión. Las partículas se mueven en misma dirección que las ondas. 15
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Velocidad (km/segundos)
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
0
0
t
an
m
3000
ondas P
6000
o
o
cle no
ú
n ter
ex
o
cle o
nú ern
t
in
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Profundidad (km)
De esta forma se conoce la profundidad y espesor de las capas del interior de la Tierra y la naturaleza de cada una de ellas:
‐ Corteza rígida.
‐ Manto (con una parte inferior sólida y una superior plástica) ‐ Núcleo externo líquido.
‐ Núcleo interno sólido.
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5000
as o nd
P
4000
no se registran ondas S
Profundidad (km)
ondas S
2000
corteza
as o nd
P
1000
16
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LA TIERRA: LOS SISMOS Ondas de Cuerpo [P – S]
Modelos tomográficos de la Tierra partir de ondas P y S
Dos modelos tomográficos de la Tierra que usan diferentes datos (ondas P y S) a diferentes profundidades. Hay una buena coincidencia entre los rasgos mayores de los dos modelos.
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LA TIERRA : ESTRUCTURA INTERNA
El calor interno como un método de estudio
En la última década, al estudio de los sismos (tomografía sísmica) se han sumado investigaciones referidas al calor interno de la Tierra (geoquímica isotópica) proporcionado información sobre la estructura y dinámica interna terrestre, las cuales han sido complementadas con simulaciones numéricas en supercomputadoras.
Energía Geotérmica
Variación de la temperatura con la profundidad
La energía geotérmica, o calor interno de la Tierra, corresponde a un aumento medio de temperatura de 0,03 °C por metro que se profundiza (30 °C/km). J.A.Alberto – G.A.Arce – C.V.Gomez / 2013
De los flujos internos de energía que existen en la Tierra, la geotérmica es la principal responsable de procesos
geológicos tales como el magmatismo, el metamorfismo y la sismicidad, así como causa de otra fuente de energía, la mecánica, generadora, a su vez, de las deformaciones terrestres. Por ello es necesario un conocimiento profundo del flujo térmico y sus variaciones para comprender los procesos internos de la Tierra.
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DINÁMICA DEL CALOR INTERNO DE LA TIERRA
El gradiente geotérmico se mantiene constante sólo en los primeros kilómetros y rápidamente desciende para no sobrepasar posiblemente, los 6.000 °C en el Núcleo. Uranio ‐ 235
Por lo tanto, una gran parte del calor interno que llega a la superficie se genera en la Corteza debido a la presencia de isótopos radiactivos de vida larga: U238, Th232, K40 y U235, los únicos con capacidad de generar calor y con vidas medias comparables a la edad de la Tierra.
ENERGÍA
Subproductos radiactivos (casi todos desechos)
El calor producido durante la formación de la Tierra es la otra fuente que, sumada a la radiactiva, sería la responsable del flujo terrestre.
ACOTACIÓN
La variación de la temperatura con respecto a la profundidad se denomina gradiente geotérmico (∆T/ʐ), el flujo térmico (q) vendrá dado por: q = K • ∆T/ʐ, donde K es la conductividad térmica.
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La complejidad en conocer la distribución de cada una de las fuentes caloríferas en el flujo terrestre aumenta cuando el flujo térmico previsto en el límite núcleo‐
manto es el mismo que el de la superficie terrestre, con lo cual el Manto sería el medio transmisor del calor del núcleo.
neutrones libres
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a
El diagrama ilustra el transporte de calor por conducción. Incluso en la materia sólida, los átomos no permanecen en posiciones fijas y estables sino que vibran continuamente (excepto en el 0 absoluto de temperatura), de ahí que al aumentar la temperatura aumente la agitación de los átomos. Cuando el calor se transmite por conducción, los átomos con mayor energía provocan distorsiones en los átomos vecinos, transfiriendo parte de esta energía, de modo que el calor se transmite lentamente de un punto a otro.
b
Esquema que ilustra el transporte de calor por convección en un líquido cuando se calienta.
c
Convección en el Manto terrestre.
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Transporte de calor en la Tierra por conducción y convección
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A continuación se describen los diversos procesos que originan el calor de la Tierra, considerando la parte del interior del planeta donde tienen lugar.
̶
Calor latente de cristalización: Límite entre el Núcleo interno y el externo. El núcleo interno se halla en estado sólido mientras que el externo es líquido. En el Núcleo externo se dan reacciones de cristalización de forma continua; estas reacciones son exotérmicas y por tanto desprenden calor. Este calor se denomina calor latente de cristalización.
̶
Gravitación: La gravedad ejerce una fuerza de compresión hacia el centro del planeta, y en el proceso de contracción de la masa terrestre se genera calentamiento por fricción.
̶
̶
̶
Calor cinético o de rozamiento: Entre el Núcleo externo y el Manto terrestre. Es la energía en forma de calor que se libera como consecuencia del rozamiento producido por la distinta respuesta del Núcleo externo y el Manto ante los campos de fuerza de la Luna y el Sol (fuerzas de marea).
̶
Reacciones fisicoquímicas exotérmicas del Manto: Las elevadas presiones y la alta temperatura provocan que los minerales sean inestables y se produzcan cambios de fases continuos, que a su vez generan energía en forma de calor.
Descomposición radiogénica de isótopos en la Corteza y el Manto: Las rocas que forman la Litosfera (compuesta por la Corteza y la parte superior del Manto), son ricas en minerales que contienen elementos radioactivos como los isótopos U235, U238, Th232 y K40. Las reacciones de descomposición de estos isótopos son exotérmicas. Éste es el proceso que más calor aporta a la superficie de la Tierra. Hay que tener presente que la temperatura de la Tierra aumenta hacia el interior desde una media global en superficie de 15ºC hasta más de 5000ºC en el Núcleo interno.
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Calor remanente de la formación del planeta: Se trata del calor, aún presente, producto de las colisiones entre los residuos estelares del disco protoplanetario que dio origen a la Tierra. 22
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Procesos de convección o dinámica interna de la Tierra
La convección térmica del Núcleo de la Tierra, calienta desde el interior el material de las capas de la Mesosfera y Astenosfera, originando en ellas “corrientes de convección”, que transfieren el calor del Núcleo hasta la base de la Litosfera más fría. Las corrientes de convección ascienden y se separan en la base de la Litosfera, la cual sufre
tensión y se rompe en numerosas fracturas escalonadas (fallas directas o normales) a ambos lados de la línea de sutura o rift, formando una depresión tectónica estrecha y larga , que sería la iniciación de un futuro océano. A través de la línea de sutura, que es una grieta profunda que atraviesa la Litosfera, asciende desde la Astenosfera el material rocoso fundido (magma basáltico) que se derrama a ambos lados de la sutura, recubriendo el fondo de la depresión tectónica y formando nueva Corteza oceánica. Los fragmentos de la Litosfera dividida son desplazados horizontalmente y en sentido opuesto sobre la Astenosfera, debido a la acción de las corrientes convectivas y al descenso gravitatorio como consecuencia de la pendiente originada en la zona de tensión. Allí, donde las corrientes convectivas convergen, descienden y se introducen en la Astenosfera, arrastran la base de litosfera, originando una zona deprimida o fosa oceánica, por compresión [subducción]. En la actualidad algunos científicos postulan que no existe la Astenosfera ni el arrastre de la litosfera y que la celdas de convección incluyen la litosfera como la parte fría de un único ciclo convectivo.
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Zona de Subducción [destrucción de Corteza) o convergencia de placas
fera
nos
Núcleo
e ra
Mes
osfe
ra
Litosfera
sosf
Me
Aste
nosf
Litosfera
era
Celdas de convección
Aste
Zona de Convección [construcción de Corteza) o divergencia de placas
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SIMULACIÓN DEL MANTO DE CONVECCIÓN J.A.Alberto – G.A.Arce – C.V.Gomez / 2013
Walter Kiefer (LPI) y Louise Kellogg (Universidad California)
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Resultado de los procesos de convección
CONVECCIÓN (divergencia de placas oceánicas) SUBDUCCIÓN (convergencia de placas oceánicas)
CONVECCIÓN (divergencia de placas continentales)
SUBDUCCIÓN (convergencia de placas oceánica y continental)
RIFT CONTINENTALES
DORSALES OCEÁNICAS
Volcá
Volcán Hawaiano o en Escudo
Estrato Volcá
Estrato Volcán
Arco de Islas
PLACA OCEÁ
PLACA OCEÁNICA
PLACA OCEÁ
PLACA OCEÁNICA
PLACA CONTINENTAL
LITOSFERA
PLACA OCEÁ
PLACA OCEÁNICA
Punto Caliente
ASTENOSFERA
(Hot Spot)
MESOSFERA
NUCLEO
límite destructivo
límite transformante
límite constructivo
límite destructivo
límite constructivo
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Trinchera
Trinchera
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Flujos de calor
B
B
B
B
A
A
0
40
60
85
120
mW
180
240
350
m‐2
ACOTACIÓN
El flujo térmico medio del planeta (qm) es de 0,06Wm‐2, siendo algo mayor en la litosfera oceánica respecto de la continental. Se alcanzan valores especialmente altos en las dorsales [A] y bajos en las zonas de subducción [B]. Publicado en formato digital: Prof. Mg. Jorge Alfredo ALBERTO - Ing. Guillermo Antonio ARCE – Prof. Claudia Verónica Gómez .
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A
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LA TIERRA : ESTRUCTURA INTERNA
El magnetismo terrestre como un método de estudio
La Tierra tiene un campo magnético originado por su estructura interna (campo principal), la influencia de la ionosfera con el viento solar (campo exterior) y al magnetismo de las rocas de la Corteza (campo cortical).
El Núcleo, la capa más interna del planeta, se divide en Núcleo interno, sólido de 1.220 km de radio, y Núcleo externo, fundido de 2.260 km de espesor. El límite entre ambos corresponde a las condiciones de presión y temperatura de cristalización del hierro (Fe).
En el Núcleo se genera el campo magnético que protege a los seres vivos de los rayos cósmicos procedentes del Sol por medio de la magnetosfera, lo que también da lugar a las auroras. Parece ser que la dinámica del núcleo puede modificar la rotación terrestre e incidir en la evolución del clima.
La influencia del Núcleo en los procesos de las capas superiores y de la tectónica de placas en particular parece ser cada vez más evidente.
Campo Magnético Terrestre ( Campo Exterior)
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El campo magnético y flujos de calor en el núcleo
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Origen del campo magnético
El origen del campo magnético, que lleva funcionando desde hace por lo menos 3.500 millones de años, se debe a las corrientes que se crean de materiales que suben al cristalizar el Núcleo externo en el límite con el interno y liberarse líquidos menos densos de oxígeno y azufre y líquidos más densos que se sumergen, es decir, una convección composicional. Campo Magnético Terrestre ( campo Principal)
Los modelos teóricos como, por ejemplo, el de F. H. Busse (figura de la izquierda), propone que la convección térmica genera alrededor del Núcleo interno unas columnas convectivas con ejes paralelos al de rotación de la Tierra. Los modelos experimentales actuales parecen confirmar el modelo anterior, al generarse movimientos turbulentos pero organizados en circulación paralela al eje de rotación.
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La cristalización (cambio de fase de líquido a sólido), libera calor produciendo el ascenso de las masas calientes y el descenso de las masas frías, esto es, una
convección térmica. 28
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Campo Magnético Terrestre ( Campo Cortical)
Inversiones del campo magnético terrestre: El estudio paleomagnético de las rocas permitió observar que se han producido inversiones de la polaridad del campo magnético en distintas épocas de la historia de la Tierra, cuyo origen es desconocido. En efecto, estudiando el magnetismo remanente de rocas de diferentes edades, se observa que con éstas se pueden formar dos grandes grupos:
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a.rocas con magnetización normal, coincidente con la polaridad del campo magnético actual, y b.rocas con magnetización inversa. El campo magnético terrestre invierte su polaridad, es decir, el polo Norte magnético pasa a ser el polo Sur, y viceversa. Estas inversiones se suceden en intervalos de tiempo que oscilan desde los 10.000 años hasta los 25 millones de años.
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SIMULACIÓN DE LAS INVERSIONES DEL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE
Durante proceso de polaridad normal
Durante proceso de cambio de polaridad (polaridad inversa)
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En 1963, los geofísicos ingleses Frederick Vine y Drummond Matthews, publicaron un
artículo en la revista Nature donde presentaron datos a favor de la brillante pero especulativa idea de Hess. Vine y Matthews reportaron mediciones de anomalías magnéticas en los fondos marinos al sur de Islandia, obtenidas mediante un magnetómetro muy sensible remolcado por un buque. Los registros magnetométricos
indicaban patrones lineales muy claros de anomalías magnéticas positivas (donde la fuerza magnética era mayor que el promedio) y negativas (donde la fuerza magnética era menor que el promedio). Las anomalías magnéticas eran también simétricas con respecto al eje de la cadena montañosa del fondo marino.
Esta observación encajaba con la del francés Bernard Bruhnes, quien en 1906 había propuesto que el campo magnético terrestre se invertía más o menos cada medio millón de años. Vine y Matthews concluyeron que las rocas volcánicas de los fondos marinos estaban registrando la polaridad del magnetismo terrestre en el momento de su cristalización; conforme se invertía esta polaridad las rocas que se formaban constantemente en las dorsales oceánicas iban registrando los cambios polaridad. De esta manera propusieron que la anchura de las franjas magnéticas debería ser proporcional a la de velocidad de separación de las placas. Esquema con las anomalías magnéticas del fondo marino publicado por Vine y Matthews. Las anomalías positivas (polaridad normal) se muestran en negro. Nótese la simetría de las franjas con respecto a la franja central.
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Deriva polar
Las figuras A y B muestran la curva de deriva polar aparente para Europa y América del Norte durante los últimos 500 millones de años. El hecho de que se observen distintas trayectorias para cada continente demuestra que son los continentes los que se han desplazado, de manera que al estudiar el paleomagnetismo de las rocas, se obtienen estas trayectorias ficticias de deriva polar.
Uno de los resultados más espectaculares de los estudios de paleomagnetismo fue la denominada deriva aparente de los polos. En efecto, estos estudios demostraron que durante los últimos 500 millones de años los polos habían ocupado distintas posiciones, describiendo una serie de trayectorias que variaban según que las muestras rocosas estudiadas estuvieran localizadas en uno u otro continente. El hecho de que se observen distintas trayectorias para cada continente demuestra que no son los polos los que se han movido durante épocas pasadas de la Tierra, ya que, en este caso, observaríamos la misma trayectoria independientemente del continente estudiado, sino que los polos permanecen en posiciones más o menos fijas (salvo cuando se producen las inversiones) y son los continentes los que se han desplazado.
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A partir de la dirección del magnetismo remanente de una roca, se puede determinar la posición del polo magnético en el momento en que la roca adquirió su imantación. Conociendo la inclinación magnética remanente de una roca, podemos fácilmente deducir la latitud que ocupaba la roca cuando adquirió esta magnetización, y, por lo tanto, deducir la distancia al polo magnético. Por otro lado, si medimos la declinación magnética, podremos conocer la posición que ocupaba el polo magnético. Estudiando el magnetismo de las rocas podemos, por consiguiente, deducir las variaciones del campo magnético terrestre en distintas épocas de la historia de la Tierra. 33
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La gravedad ha producido una estratificación por densidad de los elementos, así que la presión aumenta constantemente hacia el interior.
ALGUNAS CONSIDERACIONES
En el interior de la Tierra hay un gradiente de presión y temperatura que produce cambios en la composición química y mineralógica
de las rocas.
MODELO ESTÁTICO
(basado en la composición química de las capas)
Corteza continental
(25 a 70 km)
Manto Superior
Astenosfera
zona de transición
670 km
Manto Inferior
Discontinuidad de Mohorovicic
670 km
Discontinuidad de Repetti
Mesosfera
Nivel ‐ Capa D´´
2900 km
5120 km
zona de
transición
Núcleo
Interno
6378 km
Discontinuidad de Gutenberg
Discontinuidad de Wiechert
2900 km
Núcleo Externo
Endosfera
Núcleo Externo
35 km
75 km
350 km
zona de
transición
5120 km
Núcleo
Interno
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Corteza oceánica
(6 a 12 km)
La temperatura también
aumenta debido a reacciones
MODELO DINÁMICO exotérmicas de decaimiento (basado en el comportamiento de los elementos mecánico de los materiales)
radioactivos.
Litosfera
6378 km
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LA CORTEZA TERRESTRE
CORTEZA OCEÁ
CORTEZA OCEÁNICA
La Corteza tiene un espesor muy variable.
La Corteza oceánica tiene un espesor de tan solo de 5 km y su composición es basáltica.
CORTEZA CONTINENTAL
La Corteza continental varia entre 35 y 65 km
y tiene una composición mucho mas variable (granítica). Los espesores mayores corresponden con cadenas montañosas jóvenes y núcleos antiguos.
MANTO Placa: Segmento de Litosfera conformado por Corteza
continental y/o oceánica, con escasa actividad sísmica o volcánica internamente y en cambio muy desarrollada en sus bordes ó límites los cuáles pueden ser:
rocas sedimentarias
Divergentes ó constructivos: con formación de nueva corteza (se construye Litosfera, hay movimiento divergente).
corteza oceá
corteza oceánica
≠
Convergentes ó destructivos: con destrucción de corteza (se destruye Litosfera; hay movimiento convergente).
Intrusiones graní
graníticas y de otras rocas plutó
plutónicas
≠
gabros
35 a 75 km
km
≅ 35 a 75 5 a 6 km
km
≅ 5 a 6 basaltos submarinos
Transformantes ó conservativos: con deslizamiento de corteza, no se construye ni se destruye corteza (contacto de dos placas, movimiento deslizante o transcurrente).
Bordes
Transformantes
gneises
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SUPERIOR
corteza continental
sedimentos
LITOSFERA
Discontinuidad de Mohorovicic
de Mohorovicic
Bordes
Constructivos
Bordes Destructivos
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Revista Scala (1990). Penetrando la Tierra. pp. 54 ‐ 55
ACOTACIÓN
Ciertamente, desde hace unos años, los investigadores poseen buenos conocimientos acerca de la estructura de la corteza terrestre bajo los océanos, pues allí es relativamente delgada y puede ser fácilmente investigada a través de perforaciones. Pero la Corteza oceánica se diferencia considerablemente de la continental. La corteza bajo los océanos, con un espesor promedio de 8 kilómetros, es relativamente homogénea y no tiene más de 180 millones de años de antigüedad. En cambio, la corteza continental tiene un espesor de unos 35 kilómetros, una estructura heterogénea en un estrato doble y hasta 4000 millones de años de antigüedad. Publicado en formato digital: Prof. Mg. Jorge Alfredo ALBERTO - Ing. Guillermo Antonio ARCE – Prof. Claudia Verónica Gómez .
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Perfil resultante del «Programa continental de perforación profunda de la República Federal de Alemania» (IKB), en el Alto Palatinado realizado de 1986 a 1990. Los geólogos y los geofísicos complementaron dicho estudio con la reflexión de ondas de sonido a partir de mediciones sismológicas, en experimentos con la conductibilidad eléctrica de estratos superficiales y profundos de la Corteza terrestre, y también en la observación, a lo largo de años, de los diferentes temblores producidos en grandes profundidades de la Corteza. 37
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EL LÍMITE ENTRE CORTEZA Y MANTO
EL MANTO
El límite entre Corteza y Manto lo constituye una discontinuidad sísmica llamada discontinuidad de Mohorovicich o simplemente Moho. El límite Manto/Núcleo está marcado por una capa D” de un notable descenso de velocidad de las ondas P. El Manto está
compuesto por silicatos de Fe y Mg (rocas tipo peridotitas y dunitas, compuestas principalmente por minerales tales como olivino y piroxenos).
Se cree que esto se debe a un cambio de composición geoquímica de las rocas: de gabro a peridotita, es decir a un mayor dominio del olivino (> Fe y Mg).
Esta hipótesis ha sido comprobada por los xenolitos acarreados por los basaltos alcalinos asociados al volcanismo intraplaca.
Nuestro conocimiento de la composición del Manto procede de datos experimentales y el examen de material traído a la superficie por la actividad volcánica y particularmente las chimeneas de kimberlita.
Observaciones de incrementos de velocidad de las ondas S y P a los 410 y a los 660 km., lo que sugieren un cambio de fase mineralógica en estos niveles a materiales de misma composición pero mayor densidad . El cambio observado a 660 km se considera el límite entre un Manto inferior y superior.
EL NÚCLEO
Los datos de gravimetría y sismología, aunados a experimentos de laboratorio donde se simulan la condiciones de presión y temperatura del interior de la Tierra, nos indican que el núcleo debe estar constituido por metales pesados y en particular de Fe. Sin embargo, cálculos gravimétricos sugieren que su composición debe contener también un 10% de elementos ligeros como Si, C, O, S y H.
J.A.Alberto – G.A.Arce – C.V.Gomez / 2013
En este límite se incrementa la velocidad de las ondas sísmicas aumenta la densidad de las rocas.
El Núcleo externo debe ser liquido ya que en él no se propagan las ondas S. Esta es la región de la Tierra donde se genera el campo magnético. El Núcleo interior es sólido. La temperatura del Núcleo se estima en aproximadamente 4500º ‐ 5000º K al límite con el Manto inferior y de entre 6500º y 7000º K al límite Núcleo inferior‐exterior.
Publicado en formato digital: Prof. Mg. Jorge Alfredo ALBERTO - Ing. Guillermo Antonio ARCE – Prof. Claudia Verónica Gómez .
LA TIERRA. ORIGEN Y CONSTITUCION. Resúmenes. Revista Geográfica Digital. IGUNNE. Facultad de Humanidades. UNNE.
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