Download A. Carmelo Prieto Colorado©, UVa 1 Origen y Evolución

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Ángel Carmelo Prieto Colorado
Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía.
Facultad de Ciencias. Universidad de Valladolid.
Tutorías
(Facultad de Ciencias, Despacho B204)
Origen y Evolución de la Tierra
Formación y estructura del Universo
Sol, planetas y otros cuerpos del Sistema Solar.
Formación del Sistema Solar y del planeta Tierra.
Estructura y composición de la Tierra
Tiempo Geológico.
Métodos de Datación.
Acontecimientos más destacados en la evolución de la Tierra.
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Estructura y Composición de la Tierra
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Datos principales
Radio medio: 6.371 Km
Masa media: 5.97 1024 Kg
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Momento de inercia (cuerpo esférico homogéneo): I=Mr
ρmedia: 5.515 103 Kgm-3
ρrocas : 2-3 103 Kgm-3
Profundidad máxima explorada 12 Km (Península de Kobe, Rusia)
Material Volcánico procedente de 100 Km de profundidad
Chimeneas de diamantes: información de las condiciones de P-T a 400
km de profundidad
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Estructura y Composición de la Tierra
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Principales fuentes de información
“g” aceleración de la gravedad
ρmedia de la Tierra
Constante de precesión de los equinoccios
M=Iα (momento de inercia)
distribución de densidades ∫(dρ/dh)dv
Datos Sismológicos
Discontinuidades entre geoesferas
Constantes elásticas de los materiales
Determinaciones en laboratorio
Análisis de rocas
Abundancia de los elementos
Materiales terrestres, planetarios y meteoritos
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Mapa de Sismos detectados hasta el 28 de noviembre de 2012
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Datos Sismológicos
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Los terremotos ocurren
cuando grandes bloques de
la corteza terrestre se
mueven repentinamente
debido la fuerza de la
tectónica de placas.
Existen más de 70 placas
en la corteza terrestre.
Placas tectónicas de la Tierra
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Datos Sismológicos
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A través de los límites de
estas 70 placas tectónicas
se desarrollan las
principales actividades
volcánicas en la corteza
terrestre.
Mapa de Volcanes “activos” de la Tierra
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Datos Sismológicos
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Estos bloques de la corteza de la Tierra se se encuentran en grietas llamadas
fallas. Algunas veces, estas piezas no se desplazan suavemente. Puede haber
fricción a lo largo de los bordes irregulares, entre fallas, que obstaculizan el
movimiento de bloques de roca. Algunas veces quedan temporalmente pegados
entre sí. Cuando las masas de roca superan las irregularidades, se libera la
energía. La liberación de energía origina una sacudida en la superficie de la Tierra.
Falla normal
Falla inversa
Falla de desgarre
o
de transformación
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Datos Sismológicos
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El lugar dentro de la Tierra en
donde comienza un terremoto se
llama foco o Hipocentro. El punto
en la superficie de Tierra
directamente sobre el foco se
llama Epicentro. Durante un
terremoto, la sacudida más
fuerte se siente en el Epicentro.
Se producen cuatro tipos de ondas: Primarias, Secundarias, Rayleigh y Love.
Estas últimas son las responsables de los desastres en la superficie terrestre.
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Datos Sismológicos
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Corteza: 5-7 km/s
Manto y núcleo: 8 km/s
Agua: 1.5 km/s
Aire: 0.3 km/s
Se denominan ondas “p” ó primarias por ser las primeras en detectarse en los
sismógrafos.
Son ondas de compresión y se propagan en todo tipo de materiales,
independientemente del estado de agregación, gas, líquido o sólidos. Su velocidad
depende del modulo de compresión, del de rigidez y de la densidad de la roca.
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Datos Sismológicos
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Corteza: 3-4 km/s
Manto: 4.5 km/s
Núcleo sólido: 2.5-3 km/s
Se denominan ondas “s” ó secundarias por ser las segundas en detectarse en los
sismógrafos.
Son ondas de cizalladura y se propagan solo en materiales sólidos. Su velocidad
depende del modulo de rigidez y densidad de la roca.
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Datos Sismológicos
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Tierra: 2-4.5 km/s
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Datos Sismológicos
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Seísmo: 17:37:59.0.
Detector a 1993 km (17.3º)
p: 17:42:27
s: 17:45:47
l: 17:46:12
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Estructura de la Tierra
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A
B
C
D
A. Si la Tierra fuese homogénea la trayectoria de las ondas s y p será rectilínea.
B. Si no fuese homogénea y aumentase la densidad de las rocas las ondas aumentarían su
velocidad y se refractarían.
C. Si las ondas s dejan de propagarse desde los 103º de latitud, respecto del epicentro, indica
que existe una fase liquida a 2900 Km de profundidad.
D. Si entre 103 y 142º de latitud existe una zona de sombra y a partir de 142º hasta los 180º
reaparecen ondas p, es que existe una fase donde se refractan las ondas p y otra interior
sólida, a 5150 Km, que amortigua la velocidad de las ondas p que la atraviesan.
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Estructura y Composición de la Tierra
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Estructura y Composición de la Tierra
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Las Ondas de Cizalla (S) viajan, a través de la tierra, aproximadamente a la mitad de velocidad
que las Ondas de Compresión (P). Las estaciones próximas al epicentro, registran ondas P, S y
ondas superficiales en rápida sucesión, inmediatamente después de ocurrido el terremoto. Las
estaciones más lejanas, registran la llegada de estas ondas después de varios minutos con
tiempo de llegada mayores y la velocidad aumentan hasta los 13.5 y 8 Kms-1, respectivamente.
A 103º de distancia del epicentro, las trayectorias de las ondas P y S comienzan a tocar las
márgenes del núcleo exterior de la Tierra. Más allá de esta distancia, la primera onda en llegar una onda P– va disminuyendo en tamaño y luego desaparece. Las ondas P que viajan a través
del núcleo exterior, son llamadas ondas PKP o P´; ellas empiezan a aparecer a los 142 grados.
Esta distancia de 39º es referida como “zona de sombra”.
No se registran ondas S pasando a través del núcleo exterior, porque los líquidos no soportan
esfuerzos cortantes y se deduce qué el núcleo exterior está fundido. Sin embargo, vemos
ondas que viajan a través del núcleo exterior como ondas P; que luego se transforman en
ondas S y que atraviesan el núcleo interior. Porque el núcleo interior transmite energía de
cizalladura, asumimos que es sólido o tiene propiedades de sólido.
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Estructura de la Tierra
0-200 Km
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Pg, Sg (5.6; 3.4 Kms-1)
Pg, Pn; Sg, Sn (8; 5.5 Kms-1)
200-800 Km
800-11500 Km
103º
11500-14000 Km
Pn, Sn (8-13.5; 5.5-8Kms-1)
P´refractadas (∼10 Kms-1)
142º
14000 Km
P´amortiguadas (∼12 Kms-1)
103º - 142º = 39º zona de sombra
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Estructura de la Tierra
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A partir de los datos sísmicos la
Tierra se puede subdividir en
cuatro zonas concéntricas:
Cor teza, Manto, Núcleo
Externo y Núcleo Interno
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Estructura de la Tierra
Corteza
Manto Superior
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Discontinuidad de Conrad
Discontinuidad de Mohorovicic
D. de Repetti, 700 Km
Manto Inferior
Región D”
D. de Gutenberg, 2900 Km
Núcleo Externo
D. de Lehmann-Wiechert, 5150 Km
Núcleo Interno
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Discontinuidades Sísmicas
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D. de Conrad: Solo observable en Europa y algunas partes de América. Separa
corteza continental superior sedimentaria y granítica de la inferior basáltica y
se desarrolla entre 15 y 25 Km de profundidad
Mohorovicic: Separa Corteza de Manto con un brusco aumento de Vp a 8km/s
y de la densidad de los materiales. Esta bien definida y se sitúa ~25-60 km
bajo los continentes y ~5-8 km de profundidad bajo el lecho marino. Su
carácter puede ser físico o químico, según se considere una transformación
isoquímica de gabros a ecoglitas o bien una transformación de basaltos a
peridotitas (aumento de silicatos FeMg y descenso de SiO2), más probable.
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Discontinuidades Sísmicas
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LVZ, Canal de baja velocidad: Gutemberg descubrió en 1926 la existencia de
una zona de sombra próxima a los focos y que sólo se daba cuando éstos eran
superficiales. Propuso la existencia de una capa, entre ~50-200 km de
profundidad, en la cual las rocas están en un estado más plástico que en las
capas limítrofes (Vp pasa de 8 a 7 km/s, y luego, aumenta lentamente).
Lehmann: Se sitúa ~220 km de profundidad y produce un aumento de Vp y Vs
en un 3-4%. No es homogénea ni observable en todo el planeta.
Zona de Transición: ~400-670 km se producen fuertes aumentos de Vp y Vs,
al pasar a materiales de mas alta densidad.
Repetti: Marca la separación entre el manto superior e inferior, con aumento
brusco de la vp y vs a 10.7 y 4.7 km/s, respectivamente. Se sitúa en torno a
los 700 km de profundidad y a partir de esta zona las ondas P y S aumentan
sus velocidades hasta sus valores máximos (13.6 y 7 km/s), debido a cambios
estructurales de peridotitas a perovskita.
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Discontinuidades Sísmicas
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D": Es una región anómala de unos 100 km en la base del manto inferior, por
encima del “CMB” Limite Manto-Núcleo (D. Gutemberg). Las ondas P alcanzan
su máxima velocidad, 13.6 km/s junto a zonas de ultra baja velocidad (ULVZ)
posiblemente debido la fusión parcial del material. Esta región también es
posible que sea la fosa de los materiales de subducción y repositorio de
materia primordial. Es un área muy investigada por la posible transición de
perovskita post-perovskita.
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Discontinuidades Sísmicas
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D. de Gutemberg o Oldham “CMB”: Esta situada a unos 2880 km de
profundidad y marca nítidamente la separación del Manto con el Núcleo. Es la
base de la zona denominada D”. A partir de aquí las ondas S no se propagan y
las ondas P descienden bruscamente su velocidad hasta los 8.1 km/s, ello
indica que se ha producido un cambio en la composición en el estado de
agregación, pasando a una aleación de Fe/Ni en estado líquido o con
propiedades de líquido.
Lehmann-Weichert: Esta situada en torno los 5155 km de profundidad y es
patente por la recuperación la velocidad de las ondas P hasta 11.2 km/s y la
tenue aparición de ondas secundarias de baja velocidad. Sugiere un cambio de
fase hacia un estado solido no muy homogéneo de la aleación de FeNi.
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Estructura y Composición de la Tierra
Estático
Dinámico
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Sísmico
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Estructura y Composición de la Tierra
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Visión Composicional: Es una visión Estática de la estructura de la Tierra,
basada en criterios geoquímicos. Así la Tierra se compone de seis geoesferas
bien diferenciadas por su composición química, mineralógica y petrológica:
Atmósfera, Hidrosfera, Biosfera, Corteza (dividida en Continental y Oceánica),
Manto (separado en Superior e Inferior) y Núcleo (diferenciado por su estado
de agregación en Externo, liquido e Interno, sólido).
Visión Estructural: Esta basada en el comportamiento reológico de las capas
que componen la Tierra, fundamentalmente según la resistencia a las fuerzas
de cizalladura. Se estructura en cuatro capas diferentes: Litosfera (comprende
la corteza y parte del manto superior), Astenosfera (esfera débil, es la zona
de plasticidad de los materiales su limite superior esta en el canal de baja
velocidad, 100-200 Km y puede alcanzar hasta el manto inferior, 700 km),
Mesosfera (esfera media, abarca el resto del manto inferior) y Endosfera
(coincide con el núcleo externo e interno).
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Visión Estructural
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Litosfera
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Compuesta por la corteza y por la
parte mas superficial del manto.
En la parte oceánica llega hasta los
70 km de profundidad y en la
continental, hasta los 150 km.
Flota sobre la astenosfera y es la
zona donde se produce la tectónica
de placas Esta dividida en placas
tectónicas. En los bordes de estas
se concentran los fenómenos
geológicos endógenos: Magmatismo,
Sismicidad y Orogénesis.
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Astenosfera
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En el limite inferior de la litosfera se produce una transición de fase
regulada por valores críticos de presión y temperatura y origina esta capa.
Es la zona superior del manto, aproximadamente se sitúa entre los 220 y
660 km de profundidad.
Se inicia con un decrecimiento brusco de la velocidad de propagación de las
ondas S (LVZ) situada a 200 km. A partir de aquí el esfuerzo cortante,
ligado a las fuerzas de cizalladura, aumenta gradualmente hasta los 400
km donde sufre un aumento brusco.
Esta compuesta por materiales silicatados en estado sólido y semifundidos
parcial o totalmente (según profundidad y/o proximidad a magmas).
Permite la deriva continental y la isostasia (equilibrio gravitacional de la
superficie terrestre por diferencia de densidades entre sus partes que
explica los movimientos verticales).
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Astenosfera
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Los basaltos de la astenosfera fluyen por extrusión a lo largo de las
dorsales oceánicas, provocando una remoción de materiales del fondo
oceánico permanente.
Debajo de los continentes este proceso esta obstaculizado y provoca la
subduccion (hundimiento) del material, llegando a fundirse en el seno
profundo de la astenosfera. Por debajo de los 350 km, comienza a
recuperar rigidez hasta alcanzar los 700 km, con materiales no plásticos.
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Mesosfera
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Esta constituida en gran medida por el manto inferior.
Se extiende hasta la discontinuidad de Gutemberg situada a 2900 km de
profundidad.
Esta compuesto por material muy denso y la velocidad de las ondas P y S
aumentan progresivamente con la profundidad.
En esta parte se produce la convección, que es la responsable del movimiento
de las placas tectónicas.
Se mueve con dificultad y muy lentamente debido a la presión a la que están
sometidos sus materiales, y la viscosidad bebe ser muy elevada, entre 1021 y
1024 Pa s.
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Endosfera
Esta parte se corresponde con el núcleo,
tiene una dinámica propia, la cual es
responsable del magnetismo terrestre,
aceptando la hipótesis de la dinamo*.
Esta constituida por dos capas diferentes
en extensión y estado físico.
E. Externa: desde 2900-5700km de
profundidad. Es líquido debido a la
relación de T y p.
E. Interna: alcanza hasta el centro de la
Tierra. Esta constituida pos las mismas
aleaciones que la parte externa, pero
soporta T y p más alta y por ello se
encuentra en estado sólido
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*los movimientos de convección del núcleo
externo junto a la rotación terrestre producen
sobre el núcleo interno solido, el efecto de
dinamo y da lugar al magnetismo terrestre.
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Visión Geoquímica y composicional
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A partir de los datos sísmicos, es posible
determinar la densidad de la Tierra en función
de la profundidad, a través de los datos sobre
K, g .... mediante la relación de AdamsWilliamson:
dρ(r)/dr=[-g(r)ρ(r)]/Φ(r)
donde Φ(r) es un parámetro sísmico: VΦ(r)=K/r
Teniendo en cuenta sólo los cambios de densidad con la profundidad de la Tierra:
dρ/dz= δρdP/δ Pdz y considerando la presión hidrostática, dP/dz=-ρg, el
parámetro sísmica se puede definir como Φ(r)=δP/δρ
Y teniendo en cuenta su dependencia de las Vp y Vs, que se pueden medir con la
profundidad, tendremos que dρ/dz=ρ(z)g(z)/Φ(z), se puede integrar como una
función continua considerando la masa total y el momento de Inercia como
parámetro de contorno, entre discontinuidades.
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Expresando de modo gráfico el promedio de los valores de distribución de
densidades a obtenidos a partir de la velocidad de las ondas P y S con la
profundidad (dz), según la ecuación de Adams-Williamson.
Se muestra que la densidad aumenta
desde aproximadamente 3,3 gcm-3 en
la parte superior del manto, y llega a
a l r e d e d o r d e 5 g c m-3 e n l a
discontinuidad de Gutemberg “CMB”.
Aquí hay una discontinuidad importante
-3
con un salto hasta ~10 gcm en el
núcleo externo y que se eleva hasta
-3
~13 gcm en el centro de la Tierra.
La densidad media del núcleo es de aproximadamente 10,8 gcm-3.
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Gradiente de Presión
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En la Tierra la presión aumenta
con la profundidad. La gravedad
ha producido una estratificación
por densidad de los elementos,
así que la presión aumenta
constantemente hacia el interior.
En el manto el aumento es
prácticamente lineal, 30MPa/km
y mucho más rápido en el núcleo
debido a su mayor densidad.
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Gradiente Geotermométrico
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El gradiente geotérmico con la profundidad es extremadamente heterogéneo
en las capas más externas del planeta. Alcanza entre la corteza y el núcleo
los 6700 K, dependiendo de zonas y situaciones locales.
En la corteza terrestre el
promedio es de 20-30ºC por km de
profundidad. Tiene varias fuentes
de procedencia:
1. Liberado durante el proceso de
agregación y diferenciación, que
alcanza lentamente la superficie
terrestre.
2. Procedente de la desintegración
radioactiva de núcleos
inestables.
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Estructura y Composición de la Tierra
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Km
Geosfera
Vp
(kms-1)
0
Corteza continental
4-6
15-25
30-70
200-300
Corteza oceánica
P
(Kb)
Composición
0-9
Sedimentos, Granitos, Gneis,
Aluminosilicatos
15
Basaltos, Gabros, Silicatos
ferromagnesianos
2,65-2,75 25-600
6,5-7,5
3,33
1000
Discontinuidad de Mohorovicic, “Moho”
Manto superior
LVC
8,1
4,3
7,7
~220
400-670
T
(ºC)
Discontinuidad de Conrad
50-90
100
ρ
(gcm-3)
2000
400
Peridotitas y Rocas
ultrabásicas (SiO2<45%)
Peridotitas fundida, Pyrolita
Discontinuidad de Lehmann
Manto superior
9
4,6
700
2500
500
Peridotitas con óxidos
dispersos
Discontinuidad de Repetti
1000
Manto inferior
11,4-13,0
5
2800
1200
Oxidos de alta presión y
perovskita
2600-2885
Capa D”
13,7
5,6
3000
1300
post-perovskitas
2885
5120
Discontinuidad de Gutemberg
Núcleo externo
5155
6371
39
8,1-10,0
11,5
6300
3100
(Aleación de FeNi)
Discontinuidad de Lehmann-Wiechert
Núcleo interno
11,2-13,1
15
6500
3500
Aleación de FeNi
Tomográfia de la Tierra
40
Un conjunto tridimensional detallado y
completo de las diferencias de velocidades
da una imagen tomográfica sísmica que
revela variaciones locales en Vp y z
(profundidad) debido a las variaciones en
la composición química o estructura
térmica.
Azul: Velocidades rápidas y zonas frías
Rojo: Velocidades lentas y zonas calientes
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Tomográfia de la Tierra
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Tomográfia 3D de la Tierra
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Composición de la Tierra
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La sismología muestra que la Tierra tiene una estructura en capas, en gran
parte sólida y cristalina excepto la zona LVC y el núcleo externo que son
plásticas y liquidas. ¿Pero cuáles son los productos químicos y mineralógicos
que componen estas capas?
Corteza
Continental
Oceánica
Manto
Superior
Zona de transición
Inferior
Núcleo
Externo
Interno
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Composición Química Terrestre
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El Fe y el Ni están esencialmente concentrados en el
núcleo que representa el 32.5% de la masa terrestre.
Si y O son los elementos dominantes de la corteza y
del manto, siendo lógico presuponer que los silicatos
sean los componentes mineralógicos principales del
manto y de la corteza terrestre, si bien ambas
geoesferas no presentan la misma composición.
La parte solida esta constituida
principalmente de Fe (33-35%), O
(29-31%), Si (14-16%), Mg (∼14%),
S (2.9-3.8%), Ni (∼2.4%), Ca
(1.5%) y Al (1.4%)
El manto predominan O. Si, Mg y Fe y la composición
fundamental de la corteza se puede describir
mediante una combinación química de O, Si, Al, Fe, Ca,
Na, K y Mg.
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Composición Química Terrestre
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Las altas T y la diferenciación producen la migración del Fe hacia el núcleo y su acumulación
gravitacional. La desintegración de 40K y 235U favorecen la formación de un nivel de Fe fundido
en el núcleo externo. esta migración provoca que los elementos mas ligeros (O, Si, Al, Mg, Ca,
Na y K) se concentren en la parte mas externa y probablemente no existió diferenciación
entre manto superior y corteza.
La heterogeneidad de la corteza continental puede ser debida a la fractura de una capa
basáltica inicial para dar lugar a núcleos de los futuros continentes o bien por ser el producto
final de la solidificación de la corteza.
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Composición del Núcleo
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Se cree que es una aleación rica en Fe con base en:
1. Las abundancias cósmicas de los elementos
2. La composición de los sideritos de Fe
3. Características sísmicas
4. Necesidad de un conductor metálico para dar lugar al campo magnético
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Composición del Núcleo
47
La P y T de núcleo son muy altas: P > 1.5 Mbar, 5000-6000 K. Ello implica, en concordancia
con el diagrama de fases, que su estructura cúbica centrada en el interior I.
Las parámetros sísmicos Vp, Vs del Fe a estas presiones no son fácil de determinar, pero
pueden extrapolarse a partir de experimentos con ondas de choque y considerando
dispersión inelástica. A partir de estas consideraciones si fuera de Fe sería demasiado denso
para núcleo externo, por tanto, debe estar aleado con elementos de densidad inferior, como
Si, S, C u O.
El S se ha encontrado en los sideritos y el presuponer un núcleo externo de Fe-S ajusta los
datos de densidad para contenidos de S entre 9 y 12%.
¿El limite e interfase entre núcleo externo e interior debe ser de carácter isoquímico o por
el contrario debe darse un cambio de composición?
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Composición del Núcleo
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La teoría de choque por acreación con dispersión elástica sugiere una densidad inferior al Fe
puro. Podría ser una aleación de Fe-Ni (como la presente en meteoritos con Taenita Kamacita,
Pleissita). En este caso, el límite de Lehmann-Wiechert sería una discontinuidad química.
Recientemente se ha sugerido una composición molar del Núcleo Externo de
y para el Núcleo interno de:
82% Fe, 10% S y 8% O
89,5% Fe, 10% S y 0,5% de O
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Composición del Núcleo
49
Un modelo probable es que Núcleo interno
cristaliza a partir del externo cuando la interfase
está cerca de
la T de fusión de Fe. La
cristalización se produce cuando el núcleo se
enfría por debajo de Tm. El Núcleo externo está
enriquecida en elementos ligeros, ya que son
más solubles en líquido que en la fase de Fe
sólido. No obstante la estructura térmica de la
Tierra puede obtenerse a partir de los puntos
de discontinuidad en diagramas PT, y vincular
estos diagramas a las relaciones de fase
conocidas
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Composición del Manto Terrestre
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Manto superior
Las partes accesibles mas superficiales están constituidas por ofiolitas y placas tectónicas con
Kimberlitas y rocas volcánicas. Una roca típica procedente del manto superior seria una
peridotitas con granates y silicatos de Mg, Fe.
Presentaría una mineralogía aproximada a:
60% olivinos, (Mg,Fe)2SiO4
18% ortopiroxeno, (Mg,Fe)SiO3
12% granate (Ca,Mg,Fe)3(Al,Si)2O12
10% clinopiroxeno Ca(Mg, Fe)Si2O6
Una peridotita rica en granates (similar a la "Pyrolita” obtenidas en laboratorio) se funde
parcialmente para dar basalto y por lo tanto es una roca muy adecuada para estar situada en
la parte superior del manto y por razones petrológicas dar lugar a basaltos líquidos que
posteriormente cristalizan para dar lugar al corteza oceánica.
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Composición del Manto Terrestre
51
Es heterogéneo con eclogita (metamórfica con
granate y piroxeno) dunita (peridotita con 90% de
olivino), etc.
Por fusión dará basaltos y rocas residuales.
Los parámetros sísmicos y la densidad de estos minerales dan un excelente ajuste a los datos
relativos al manto superior, si bien una mezcla de peridotita con granates también se ajusta a
los datos geofísicos.
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Composición del Manto Terrestre
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Canal de baja velocidad, LVZ
Puede ser debido a una transformación
geotérmica de las peridotitas ligeramente
hidratadas, alcanzando un estado de pre-fusión
que da lugar a propiedades anómalas y ese
descenso de las velocidades de las ondas P
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Composición del Manto Terrestre
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Zona de Transición
Desde 400 hasta 700 km de profundidad las velocidades Vp y Vs aumentan al igual que la
densidad. Esto puede ser debido a:
1. Minerales idénticos pero con mayor peso molecular (aumento de Fe frente a Mg)
2. Cambio de fase estructural a una estructura más densa
3. Una combinación de ambas
¿Qué ocurre cuando el olivino si se somete a alta P+T en la zona de transición, 120 kb +
1400 °C (400 km)?
Fosterita (Fe,Mg)2 SiO4 βMg2SiO4, Wadsleyita
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Composición del Manto Terrestre
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A 550 km de profundidad, con 18 GPa de P la βWadsleyita se transforma en Ringwoodita,
con estructura de spinela
βMg2SiO4, Wadsleyita Mg2 SiO4, γRingwoodita
La Fosterita se transforma a un polimorfo más denso a alta P y la
fase β-Wadsleyita junto con la fase γ-Ringwoodita, de alta presión
y estructura tipo spinela son los minerales que cumplen con las
propiedades sismográficas de la zona de transición.
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Composición del Manto Terrestre
55
A pesar de que los minerales espineloides,
Wadsleyita y Ringwoodita, cumplen con los
parámetros sismográficos, en esta zona de
transición también pueden existir granates
y clinopiroxenos, (D. J. Frost, Elements, 4(3),
172, 2008)
A. Carmelo Prieto Colorado©, UVa
Estructura y Composición de la Tierra
56
En las capas profundas del manto superior la
estimación de la composición del manto es de un
57% de fases minerales con estructura de espinelas
y un 43% de granates ricos en Fe y Mg.
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Estructura y Composición de la Tierra
57
Manto inferior
Más dificultad presenta el conocer que sucede a partir de la discontinuidad de Repetti a 670
km. Ello es debido a las dificultades experimentales para alcanzar presiones próximas a los 25
GPa y temperaturas de alrededor de 1800 °C.
En las condiciones de P/T de discontinuidad 670 km la spinela se desestructura
descomponiendo en perovskita y periclasa:
(FeMg)2SiO4 (FeMg)SiO3, perovskita + (FeMg)O, periclasa
El cambio coordinación del Si, [IV] en espinela a [VI] en perovskita. También a ~ 25GPa se
produce la transformación de Granate a Perovskita. Por tanto, el Manto inferior esta
compuesto de perovskita de Mg y Fe) junto con magnesio Wuscita (Fe,Mg)O, con fases
minoritarias de magnesio silicatos (Mg,Fe,Al,Ca)(SiAl)O3 con estructura perovskitica.
La discontinuidad de 670 kilómetros es probable que sea una transformación de fase
isoquímica, y que el manto inferior concentrase mas Fe o Si que en la zona de transición.
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Composición del Manto Terrestre
58
Pero también debemos considerar la presencia de otras
fases en las zonas de subducción con aporte de basaltos y
ver que puede suceder alas fases ricas en SiO2 de las
placa subducida.
Probablemente el Límite Núcleo-Manto y la zona D" sean
la región compleja del sistema debido a su estado de
fusión relativa.
La zona D " es el origen probable origen de las plumas
volcánicas:
1. la cpa de ultra baja velocidad (ULVZ) puede ser
debido a fusión de SiO2 de las cavidades
magmáticas
2. Si hay una reacción entre silicatos, óxidos de D" y
fases del núcleo dependerá de la composición
química del núcleo.
3. En 2004 se encontró una nueva transiciones de
fase, en la cual la perovskita se transforma en una
fase post-perovskita:
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Composición del Manto Terrestre
59
Es isoestructural con CaIrO3 y se caracteriza por compartir
una arista del octaedro SiO6. La Perovskita se transformará en
esta nueva fase en las condiciones de P/T de D”.
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Composición del Manto Terrestre
60
El manto actualmente se
considera como en la
imagen, si bien es un tema
de investigación activa, que
intenta explicar el carácter
reflector de 2.650 km en las
regiones frías inexistente en
regiones calientes, por tanto
es de suponer que la fase
post-perovskita sólo está
presente en las regiones
frías
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Composición de la Corteza Terrestre
61
Corteza Continental: Granitos y Gabros, con minerales de alto contenido en SiO2.
Heterogénea con espesor medio ”z”, de 35 km (25-70 km), Rocas antiguas 3,8x109 años.
Densidad de 2,69-2,74 gcm-3 a 3-3,25 gcm-3 según profundidad.
Corteza Oceánica: Basaltos, gabros en capas, z = 6 km, Ordenada y con rocas de 2x109 años.
Cambio Geoquímico
Granodiorita:
Similar al granito con >10% de cuarzo, feldespatos,
plagioclasas, biotita, anfibol y piroxeno.
Gabro:
Roca máfica de origen plutónico. Con un 57% de
piroxeno y un 43% de pagioclasa cálcica.
Basalto:
Es un Gabro de origen efusivo.
Peridotitas:
Olivinos, SiO4(Fe,Mg)2 + Piroxeno. SiO3(Fe,Mg)
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Composición de la Corteza Terrestre
62
Cambio de fase de Basalto a Ecoglitas
de Olivinos (Fe,Mg)2SiO4 + Plagioclasas (Na,Ca)(SiAl)3O8
a Granate (Ca,Fe,Mg,Mn) 3 (Al,Fe,Mn,Cr,Ti,V)2(SiO 4 ) 3 + Piroxeno (Ca,Fe,Mn,Na,Li)
(Al,Mg,Fe,Mn,Cr,Ti,Sc)(SiAl)2 O6
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Composición Mineralógica de la Corteza Continental
63
La Corteza Continental puede dividirse en dos grandes Áreas:
1. Continentes estables (Escudos precambricos y sedimentos estables no deformados,
con densidades de 2.69 a 3.25 gcm-3 variando de aluminosilicatos de Ca, Na y K a
silicatos de magnesio, de Sial a Sima)
2. Regiones tectónicamente activas -arcos continentales- cinturones orogénicos
(Espesores 55 a 70 Km, con asociaciones de rocas ígneas básicas, anfiboles y rocas
ultrabásicas, básicas, intermedias y acidas con el10% de SiO2 libre)
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Composición Mineralógica de la Corteza Oceánica
64
La Corteza Oceánica, también puede dividirse en tres grandes Áreas:
1. Simas oceánicas (que tienen hasta 4 km de H2O
y hasta 4 capas: Capa 1 de 1 km de espesor y
constituida por sedimentos con diversos grados
de litificación, foraminiferos, limos y arcilla; Capa
2 de 1,6 a 2 km de espesor, con basaltos y lavas;
Capa 3 de 3 a 3,7 km de espesor con basaltos,
gabros y anfiboles; Capa 4 de espesor variable
hasta los 3km con gabros y piroxenos.
2. Crestas oceánicas, donde la capa 1 esta
normalmente ausente, la capa 2 aflora en
superficie con un espesor superior al normal y
una débil capa 3 llega al manto
3. A rc o s i n s u l a re s , mu y h e t e ro g é n e a s y
complicadas con andesitos y sedimentos de
aguas profundas.
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Composición Química Terrestre
65
La Atmósfera e Hidrosfera son producto de
la desgasificación del interior de la Tierra.
Los gases de la Atmósfera primitiva se
pierden y varían sus concentraciones desde
el principio de la acreación.
Así, S, CO2, CH4, NH3, SO2 y HOCl esta ocluidos en la materia planetesimal originaria del
planeta. Posteriormente la fase gaseosa se compone de S, CO2 y H2O. Con la solidificación de
la corteza, la cantidad de H2O aumenta y se forman lagos y océanos (Hidrosfera) comenzando
la meteorización con el ciclo hidrológico. Las bacteria fotosintéticas inician la producción
masiva de O2. Y por medio de la radiación se produce Ozono que filtra la radiación y posibilita
la formación de la Biosfera.
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Composición Química Terrestre
Universo
Tierra
Corteza
Hidrosfera
66
Atmósfera
Biosfera
H
77
Fe
35
O
46,6
O
85,8
N
75,5
O
53
He
21
O
29
Si
29,5
H
11
O
23,2
C
39
O
0,8
Si
14
Al
8,2
Cl
1,94
Ar
1,3
H
6,6
C
0,3
Mg
14
Fe
5
Na
1,05
C
9,3x10-3
N
0,5
Ne
0,2
Si
2,9
Ca
3,6
Mg
0,13
Ne
13x10-4
Ca
0,4
Fe
0,1
Ni
2,4
Na
2,8
S
0,09
Kr
45x10-5
K
0,2
Si
0,07
Ca
2,1
K
2,6
Ca
0,041
He
72x10-6
Si
0,1
N
0,06
Al
1,8
Mg
2,1
K
0,039
Xe
48x10-6
P
0,1
Mg
0,06
Na
0,3
Ti
0,57
Bi
0,007
He
23x10-8
Mg
0,1
Si
0,04
P
0,2
H
0,22
C
0,003
S
70x10-9
S
0,07
En términos geoquímicos podemos considerar cuatro grandes bloques, la parte solida
incluido núcleo, manto y corteza (continental y oceánica) hidrosfera, atmósfera y biosfera.
A. Carmelo Prieto Colorado©, UVa
Composición Química Terrestre
67
Comparando la composición química de la
Tierra, en su conjunto, y de la corteza se
observa un enriquecimiento de la corteza en Si,
O, Al, Ca, K y Na y consecuentemente un
empobrecimiento en Fe, Mg, Ni y S.
Por otro lado, las diferencias significativas entre
corteza oceánica y continental derivan de su
diferente composición mineralógica.
Corteza continental rica en rocas que
contienen cuarzo (SiO 2 ), feldespatos
alcalinos (KAlSi3O8-NaAlSi3O8) y cantidades
menores de minerales ferromagnesianos
(anfiboles y biotita)
Corteza oceánica compuesta de plagioclasas
cálcicas y minerales ferromagnesianos como
los piroxenos y el olivino.
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Composición Química Terrestre
Elemento
Tierra
silicatada
(manto +
corteza)
Corteza
Continental
SiO2
45,56
Al2O3
68
Corteza Oceánica
Basaltos
primitivos
Estimación
global
59,1
49,7
47,85
4,73
15,8
16,4
12,08
FeO
8,16
6,6
7,9
8,98
MgO
36,33
4,4
10,1
17,1
CaO
3,75
6,4
13
11,22
Distribución química de elementos en las capas de la Litosfera
A. Carmelo Prieto Colorado©, UVa
Clasificación Geoquímica de los Elementos
69
De la Abundancia de los elementos en la corteza continental respecto al número atómico Z,
permite efectuar algunas consideraciones.
Los elementos más raros en la corteza
(amarillo) no son los de mayor Z, y sus
bajas concentraciones pueden ser
debidas a su deslocalización en el
núcleo
terrestre, dado que su
abundancia en los sideritos es
relativamente alto. Además, Te y Se se
han agotado de la corteza debido a la
formación de hidruros volátiles. De los
92 elementos químicos que se
encuentran en la naturaleza, apenas 8
(verde intenso) constituyen el 98% de
los minerales de la corteza terrestre.
Esto nos puede ayudar a clasificar los
Elementos por su carácter geoquímico
A. Carmelo Prieto Colorado©, UVa
Clasificación Geoquímica de los Elementos
70
V.M. Goldschmidt, en el año 1923, puso de manifiesto que la distribución de elementos en los
meteoritos, en productos de fundición, en rocas naturales, en depósitos de sulfuros y en el Fe
nativo terrestre, concordaban todos ellos razonablemente bien, y concluyó que los elementos
pueden ser clasificados en función de su afinidad geoquímica relativa al Fe:
Siderófilos: con afinidad por el fierro; concentrados en el Núcleo de la Tierra.
Calcófilos: con afinidad al azufre; concentrados en las fases sulfuradas.
Litófilos: con afinidad por los silicatos; concentrados en la Corteza Terrestre.
Atmófilos: como gases en la atmósfera
El carácter geoquímico de un elemento esta directamente relacionado con su configuración
electrónica, por tanto el número de e- de la ultima capa, su radio iónico, volumen atómico, y
potencial de ionización, electroafinidad, electronegatividad, facilidad para constituir diferentes
tipos de enlace, entre otras propiedades periódicas, serán propiedades correlacionables con el
carácter geoquímico de un elemento.
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71
El carácter GeoQuímico, al estar estrechamente ligado a la configuración electrónica de los
elementos lo esta directamente relacionado con el número de electrones de la última capa y
consecuentemente con la facilidad y el tipo de enlace mas adecuado para formar aleación con
el Fe o compuestos con O y S (por ser, de los elementos más abundantes, los que forman
aniones). Los iones electronegativos (O>>S) se unirían con los iones electropositivos, pero
como las concentraciones de los elementos implicados no son equivalentes, si no que:
(O+S) <<< (Fe+Ni)+(Si+Mg)
O y S se agotarán y no habrá posibilidad de que la oxidación sea total, quedando un sistema
con cuatro fases principales, como en los meteoritos y en las fundiciones de horno alto:
Silicatos, Sulfuros y Óxidos, Metales o sus aleaciones y Gases. Los distintos elementos
químicos se irán distribuyendo entre estas fases de acuerdo con sus afinidades geoquímicas:
Litófilos: 8 e-, formaran compuestos estables con enlaces iónicos
Calcófilos: 18 e-, constituyen compuestos estables con enlace covalente
Siderófilos: grupo VIII y vecinos con envolturas electrónicas no llenas, que les
permiten ser estables en compuestos con enlace metálico
Atmófilos: última capa electrónica completa y por consiguiente no constituyen
enlaces, como es el caso de los gases nobles.
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Clasificación Geoquímica de los Elementos
IP<6
Litófilos
IP>8
Siderófilos
6<IP<8
IP>10
72
Calcófilos
Atmófilos
IP: I Potencial de ionización de los elementos químicos
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Clasificación Geoquímica de los Elementos
73
El Potencial de ionización (energía necesaria para la perdida de electrones o transformación
en un catión) y la Afinidad electrónica (energía necesaria para que un átomo capte electrones
y se transforme en un anión) al ser propiedades periódicas tambien se relacionan con el
carácter geoquímico de los elementos. Lo hacen a través de la electronegatividad (capacidad
de un átomo de competir e- con otros átomos) o el potencial de electrodo.
1 V < E0 >3 V
E0 > -3 V
Litófilos
Calcófilos
-3 V < E0 > +1 V
Siderófilos
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Clasificación Geoquímica de los Elementos
74
Radio iónico de los elementos químicos
A. Carmelo Prieto Colorado©, UVa
Clasificación Geoquímica de los Elementos
El volumen atómico es función del radio iónico.
Atmófilos
V
75
Los de menor riónico y por tanto de menor
Vatómico tienen tendencias siderófilas y se sitúan
en las zonas bajas de la curva de Vatómico para
valores de Z altos. Los de riónico y Vatómico
intermedio son calcófilos y los riónico y Vatómico
grande son litófilos. Dentro de cada periodo
los de mayor riónico y Vatómico tienen un carácter
litófilo más acusado (K>Ca >Se >Ti >V >Cr)
Litófilos
Calcófilos
Siderófilos
z
Comparando los elementos de distintos periodos entre si, el carácter litófilo es tanto mayor
cuanto mayor sean riónico y Vatómico (Cs >Rb >K y Ba >Sr >Ca) por eso ocupan la parte alta y
descendente de la curva. Dentro de cada periodo (fila) los de menor riónico y Vatómico son
siderófilos. Si aumenta el riónico y Vatómico, dentro de cada periodo se va acrecentando el
carácter calcófilo, ocupando la rama ascendente de la curva con número atómico bajo.
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Clasificación Geoquímica de los Elementos
!
Enlace Metálico
e+
Fe-Ni
Fase Metálica
SIDEROFILOS
Enlace Covalente
Fe
S-2
Fase Sulfurada
CALCOFILOS
76
El mecanismo de movilidad de elementos
entre las fases es el siguiente: los elementos
más electropositivos que el Fe (E + )
desplazan al Fe y a los menos
electropositivos que el Fe (e+) de la fase
silicatada. El Fe se concentra en la fase
metálica y a su vez desplaza a los menos
electropositivos (e+) hacia la fase sulfurada.
E+
Enlace Iónico
SiO4-4
Fase Silicatada
LITOFILOS
e+
Por último, otro carácter diferenciador es el calor de formación del óxido o sulfuro
correspondiente, respecto al FeO y/o FeS.
QAO > QFeO
A, Litófilo
QBO < QFeO
B, Calcófilo o Siderófilo
QBS ≥ QFeS
B
Calcófilo
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Clasificación Geoquímica de los Elementos
77
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Clasificación Geoquímica de los Elementos
siderófilos
litófilos
Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg
Fe, Co, Ni
Ca, Sr, Ba, B, Al, Sc,Y
Ru, Rh, Pd
RE, Si, Ti, Zr
Os, Ir, Pt
Hf, Th, P, V, Nb, Ta, Cr, U
Mo, W
F, Cl, Br, I, Mn
Re, Au, Ge, Sn
(C, P, W, H, Tl, Ga, Ge, Fe)
calcófilos
Cu, Ag
Zn, Cd, Hg
Ga, In, Tl
As, Sb, Bi
S, Se, Te
(Fe, Mo, Ca)
78
atmófilos
(H), N, (O)
He, Ne, Ar, Kr, Xe
Clasificación geoquímica de los elementos de V.M. Goldschmidt (entre paréntesis están
relacionados los elementos versátiles, que modifican su carácter según sean las
propiedades del ambiente químico en que se concentran).
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