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Formación de la tierra
( Publicado en Revista Creces, Julio 1997 )
Hace 5.000 millones de años, a partir de un disco de gas y polvo, se formo el
sistema solar. ¿Qué paso desde entonces hasta ahora, que habitamos este
hospitalario planeta?.
Nuestro Sol, como todas las estrellas, se comenzó a formar cuando una nube de polvo
y gas del espacio interestelar comenzó a aglutinarse. Nadie sabe cómo y cuándo
sucedió esto, pero si sabemos que ello fue la primera etapa de una larga y complicada
evolución, hasta llegar a constituirse nuestro planeta rocoso, que se caracteriza por
tener un núcleo de hierro y una atmósfera rica en oxígeno. La primera etapa fue
aquella que llevó a la formación de un planeta de tamaño adecuado, utilizando
materiales adecuados. En un comienzo, nadie la hubiera reconocido como nuestra
Tierra de ahora, con un rico núcleo central de hierro, un manto hecho de mineral
silicato y una delgada corteza rígida superficial.
La vida comenzó en la Tierra hace más o menos 3.500 millones de años, y desde
entonces el planeta ha continuado su incansable evolución, hasta llegar a la forma que
hoy conocemos. Pero el proceso no se ha detenido y aún continúa. Los terremotos y las
erupciones volcánicas son una demostración de ello. Sus placas superficiales continúan
moviéndose, los continentes siguen cambiando de forma, y las mismas rocas están
continuamente erosionándose, reformándose y reciclándose. Es este proceso el que
hace que la Tierra sea diferente a otros planetas del Sistema Solar y que esta
diferencia ya se haya marcado aun en su historia primitiva.
La Tierra se formó de la "Nebulosa Solar", constituida de hidrógeno y helio. En la
medida que las nubes comenzaron a condensarse, se fue produciendo un equilibrio
entre una acumulación de material en el centro de la nebulosa (destinado a formar el
Sol), y el movimiento externo de gas y polvo que fueron la materia prima para formar
los planetas. Atomos, moléculas y pequeñas partículas entraron en un continuo
contacto y en la medida que giraban, iban formando mayores conglomerados.
Eventualmente estos conglomerados fueron creciendo hasta llegar a formar los
llamados "planetesimales" con un tamaño de 10 km. Lo que es más importante, es que
estos fueron adquiriendo gravedad, lo que facilitó la interacción entre unos y otros.
Ingredientes de la tierra, una receta de rocas
Fue la colisión de estos planetesimales los que comenzaron a dar forma a los planetas
del futuro. Podría comprenderse mejor los efectos de estas coaliciones haciendo un
modelo computacional, en que digamos que hubieran unos 1.000 de estos cuerpos
orbitando alrededor del Sol, y en los que se pudiera monitorear siguiendo la evolución
de cada uno y el efecto de cada colisión. Pero sería como tratar de entender el
comportamiento de un gas monitoreándo las moléculas individuales. El calculo total de
las colisiones, requería de mucho tiempo, aún si se dispusiera de los más poderosos
computadores. Ante esta dificultad los investigadores han tratado de simplificar el
modelo, tratando los cuerpos no individualmente, sino que en grupos. Con este
modelo, ellos lo han echado a correr muchas veces, quedándose en definitiva con los
resultados más comunes.
El modelo predice muchos impactos. Según él, es muy probable que algunos de los
cuerpos mayores chocaran entre si, generando tal vez suficiente calor como para fundir
algunos de ellos. También el modelo sugiere, que los impactos entre los planetesimales
grandes pueda explicar algunos de los extraños hechos que se observan en el Sistema
Solar actual. Así por ejemplo, a diferencia de los otros planetas, Venus gira en una
trayectoria opuesta alrededor del Sol, mientras que Urano tiene su polo magnético
perpendicular a su eje de rotación.
Del mismo modo, estos impactos pueden explicar también el origen de la Luna, cuando
probablemente un cuerpo del tamaño de Marte chocó a la primitiva Tierra,
desprendiendo lo que hoy es la Luna. Tal vez muchas otras enormes colisiones
pudieron también lanzar rocas al espacio, formando los asteroides. Así por ejemplo, el
estudio de la composición química de un grupo de meteoritos encontrados en la
Antártica, sugieren que ellos pudieran haber venido de Marte, como consecuencia de
estos mismos impactos (son estos mismos meteoritos encontrados en la Antártica los
que ahora hacen pensar a algunos científicos que podría haber existido vida primitiva
en Marte) (Creces, Enero 1997).
En la medida que la Tierra continuó evolucionando, continuó también el bombardeo,
pero su frecuencia fue disminuyendo. Los planetas embrionarios, orbitaban alrededor
del Sol, en compañía de muchos otros cuerpos pequeños. En la medida que
colisionaban y se fragmentaban, los más pequeños incrementaban a los más grandes.
Así las colisiones se fueron haciendo menos frecuentes.
La observación de las frecuencias y densidades de estos impactos, en los distintos
planetas y sus lunas, nos dan una pauta de su mayor o menor historia. Aquellos que
tienen más cráteres, claramente son más antiguos que los que tienen menos.
Desgraciadamente en el caso de la Tierra, esta medición no sirve, porque nuestro
planeta estuvo mucho tiempo cubierto por agua, y además ha sido reciclado muchas
veces a través del movimiento de las placas tectónicas.
Aún cuando faltan muchas evidencias del pasado, algunas cosas están claras. Hace
4.500 millones de años atrás, la Tierra estuvo muy caliente, y tal vez hace 100 millones
de años, aún tendría una temperatura de 5.000 grados Kelvin. En la medida que los
planetesimales comenzaron a golpearse, también los planetas embrionarios se
calentaron.
Probablemente el impacto que formó la Luna, generó suficiente cantidad de calor, como
para fundir la mayor parte de la Tierra, llegando a producirse un verdadero océano de
magna, que incluso pudo haber alcanzado hasta el núcleo de la Tierra. En esta etapa de
su evolución, seguramente que la Luna fue completamente fundida, también como
consecuencia del mismo impacto. Pero a partir de esta separación, la historia de la
Luna y la Tierra comenzaron a divergir. Así por ejemplo, el Océano de Magna de la
Luna, comenzó a cristalizar en una gruesa corteza, como pudieron comprobarlo los
astronautas del Apolo. La Tierra también fundida, tomó un camino diferente.
El enfriamiento de la Luna, siguió un patrón simple (que también se ha visto en algunas
grandes rocas fundidas en la Tierra). Los primeros minerales se formaron cuando las
rocas se enfriaron y comenzaron a formarse cristales. Los minerales que crecieron
primero, fueron diferenciándose de acuerdo a la temperatura y presión de la roca
fundida, de modo que su identificación puede ahora proporcionar información muy útil.
Muchas veces las rocas ígneas, contienen minerales llamados "feldspars", de forma
semejante a los ladrillos de una casa y de color blanco, rosado o amarillo. Ellos están
hechos de silicon, aluminio y oxígeno, en un marco con calcio, sodio y potasio.
La Luna contiene un tipo de feldspars,
llamados "plagioclase", en una variedad que contienen sodio y potasio, en cristales que
sugieren que fue el primer mineral que se formó al enfriarse las rocas. Los cristales de
plagioclase, eran menos denso que el todo de la magna, de modo que flotaron y se
unieron como para formar una corteza. La magna inmediatamente debajo, llegó a ser
más densa y eventualmente comenzaron a cristalizar diferentes minerales. Este
proceso se ha llamado "cristalización fraccionada"(fig. 2). El proceso es común también
en la Tierra, donde se han producido familias características de rocas.
Tipos fraccionales, la primera atmósfera
Porque ciertos elementos inusuales tienden a acumularse en los cristales y otros en la
magna que queda bajo, el patrón de su distribución en la roca que se forma, es un
signo muy seguro que la cristalización fraccionada ha jugado un rol fundamental en su
formación.
Un ejemplo de ello es el elemento "europium". Este elemento raro tiende a acumularse
en los cristales plagioclase que se van estructurando en esta forma. Las rocas de la
Luna, tienen justamente este patrón, con una cantidad extra de europium en las rocas
plagioclases. Pero las rocas primitivas de la Tierra no muestran esta anomalía del
europium. Sea cierto o no que la Tierra prácticamente se habría fundido como
resultado del impacto gigante que generó la Luna, ella no se habría enfriado en la
misma forma. La Tierra no tiene tanto calcio y aluminio como tiene la Luna, con un
resultado que este plagioclase no se acumuló. Pero además la Tierra tenía más agua
que la Luna, y esto significó una gran diferencia: cuando el plagioclase se formó, a
diferencia de la Luna, más que flotar, se hundió en una magna húmeda.
En la Tierra, la estructura en capas, comenzó a formarse muy temprano en su historia.
El "núcleo" que ahora representa un tercio de la masa de la Tierra, se formó en los
primeros 100 millones de año de su historia. El núcleo está constituido principalmente
de hierro, que probablemente se fundió y se hundió al centro del planetesimal, en esta
forma se fue acumulando.
Desde entonces parece que ha habido poca mezcla entre el núcleo y el manto. Pero la
historia del manto y la capa más externa de la Tierra, la corteza, es muy diferente. Hoy
día el manto mismo está estratificado. La corteza continental, flota sobre el líquido del
manto y las placas tectónicas constantemente forman y reforman la corteza del fondo
de los océanos.
¿Cómo y cuándo comenzaron a existir las capas que diferencian el manto y la corteza?.
De nuevo, las evidencias son escasas, pero existen. La mayor parte de ellas vienen del
estudio de la química de la Tierra, y de la comparación de esta con respecto a otras
rocas que han llegado de otras partes del Sistema Solar, especialmente provenientes
de meteoritos. Sorprendentemente, muchas de estas rocas tienen composiciones
similares, por lo que los científicos se han podido formar una idea del promedio de la
composición del Sistema Solar. De las comparaciones con la composición de la Tierra,
queda en evidencia cuan diferente es la composición de nuestro planeta con relación al
resto.
Lo que es curioso, como resultado de la comparación de los minerales de la
constitución química cósmica y la nuestra, es que ahora comenzamos a entender de
donde viene nuestra "atmósfera". Está claro que nuestra atmósfera actual no proviene
de la Nebulosa Solar. Los gases como el neón, son muchos millones de veces más raros
en la Tierra que en el Sistema Solar en globo. Si nuestro planeta pudo haber
comenzado con la misma composición de gases que el resto, ellos posteriormente han
sido totalmente desplazados hacia el espacio.
Debemos concluir entonces, que nuestra atmósfera se originó a partir de gases
provenientes del interior de la Tierra. Ahora la actividad volcánica produce una mezcla
de gases, especialmente dióxido de carbono, pero también dióxido de azufre, monóxido
de carbono e hidrógeno entre otros. De modo que la atmósfera primitiva,
probablemente estuvo constituida por estos mismos materiales, especialmente dióxido
de carbono. Del mismo modo, la presión atmosférica en aquel tiempo era
probablemente diez veces más alta que la actual. Los océanos se comenzaron a formar
con el agua proveniente de la condensación de los gases volcánicos. Los volcanes
trajeron a la superficie estos gases y agua, del manto de la Tierra, que se habían
acumulado cuando la Tierra se formó. También es posible que los impactos de otros
cuerpos, hayan también traído agua y gases que se agregaron a nuestra atmósfera e
hidrósfera.
El oxígeno comenzó a acumularse lentamente, en la medida que la energía del Sol iba
quebrando moléculas, como el dióxido de carbono y el agua. Pero sin duda que fueron
los elementos vivos (como es ahora), los que contribuyeron en mayor cantidad a la
acumulación de oxígeno en la atmósfera. Rocas de Groenlandia, de una antigüedad de
3.800 millones de años, ya contienen trozos de carbón, que probablemente provienen
de algunas formas de vida muy simples. Las algas azules, verdes, ya hace 3.500
millones de años, fueron formando parte en la constitución de módulos rocosos, los
"estromatolitos". En la medida que las plantas fueron evolucionando, consumían
anhídrido carbónico y exhalaban oxígeno, con lo que la atmósfera se iba haciendo más
hospitalaria. Eventualmente los animales dejaron el mar y buscaron la tierra seca.
Pero antes que pudieran dar este enorme paso, tuvo que crearse la tierra seca, y esto
significó la aparición de la "corteza (litosfera) continental". La primera corteza de la
Tierra, se hizo de basalto, semejante a la corteza que forman hoy día las ondulaciones
del fondo del mar. El basalto es una roca negra dura, hecha de cristales muy pequeños
invisible al ojo desnudo. Es la roca que constituye ahora las islas volcánicas de Irlanda
y Hawai.
El basalto constituye el fondo de los océanos, sobre la cual se ha ido depositando una
delgada capa de depósitos sedimentarios. Sobre esta corteza de los océanos, formó la
tierra seca. Durante los primeros miles de millones de años, la superficie de la Tierra
consistía solo en mar, interrumpido por cadenas de islas volcánicas. Probablemente en
aquella época la Tierra exhalaba vapor, de fuerte olor, dado por la mezcla de gases,
como hidrógeno, sulfito de hidrógeno, cloruro de hidrógeno, monóxido de carbono,
dióxido de carbono, dióxido de azufre, y muchos otros que salían de la continua
actividad volcánica que formaba la atmósfera de ese entonces. Con la luz, y la
irradiación solar, los gases volcánicos reaccionaban entre si. El vapor que acompañaba
a cada erupción, no era reabsorbido por las rocas, sino que se iba acumulando
lentamente hasta llegar a constituir los océanos. En la medida que el agua se iba
acumulando en los océanos, más y más actividad volcánica iba sucediendo bajo el
agua, en la misma forma que esto sucede ahora.
La parte más antigua del continente actual es hecha de rocas sobre el basalto, que
alguna vez eran granitos o rocas similares. El granito es una roca ligeramente
coloreada, hecha de grandes cristales, que son fácilmente visibles al ojo desnudo y a
veces hasta miden algunos centímetros. El granito forma ahora "zonas de subducción",
regiones en que el piso del océano se desliza en los continentes. La corteza de los
océanos es húmeda, porque las rocas ígneas formadas bajo el mar en las cortezas
oceánicas, el de mar circula a través de quebraderas y fisuras que se formaron cuando
la lava aparecía y se enfriaba. Cuando esta va abajo las zonas de subducción, el agua
que contiene se calienta y sale a través del manto. El agua y otros elementos
relativamente volátiles hacen que el manto se funda.
Cresta continental, oxigeno en el aire
Así es como se formaron las primeras capas de corteza terrestre continentales. El
granito y sus rocas asociadas, son mucho menos densas que el basalto, por eso cuando
se formaron las cortezas continentales, flotaron sobre las rocas densas de abajo. Su
flotabilidad hacía difícil su destrucción, a diferencia de las costras oceánicas. Aún
existen rocas que se formaron hace 4.000 millones de años. La mayor parte de los
antiguos núcleos de los continentes, se formaron hace 2.600 millones de años. Con los
continentes se produjo un gran cambio en la atmósfera. En la medida que se fueron
formando, fue rodeándolos un mar poco profundo. La vida floreció en esta agua
ribereñas, incrementando la producción de oxígeno. La mayor parte fueron algales,
resultando, por ejemplo en el crecimiento de estramatolitos. Las algas formaron
montículos de mineral de calcita (carbonato de calcio), atrapando más dióxido de
carbono en la hidrósfera, permitiendo que se escapara menos a la atmósfera. El
resultado neto fue un gran incremento en la proporción de oxígeno de la atmósfera.
Cuando la Tierra tenía dos mil millones de años de vida, ya existían suficientes rocas, lo
que ya le daban su característica. Las rocas que sobrevivieron son de dos tipos: rocas
graníticas, junto con rocas volcánicas y sedimentos conocidos como cordón de rocas
verdes (greenstone), todas ahora metamorfoseada. Lava, conglomerados, rocas
barrosas y rocas arenosas pueden todas encontrarse en estas antiguas rocas. Hay
también fósiles de criaturas primitivas como algas. La mayor parte del mundo,
incluyendo el fondo profundo del mar, se habría visto entonces, como se ve ahora. Los
fragmentos de estas primitivas cortezas, en lugares como Australia, el sur de Africa y
Canadá, consisten en áreas de rocas graníticas separadas por cordones de piedras
verdes, formando mosaicos. Los cordones de piedras verdes están a menudo
estrechamente doblados, como una concertina, mientras que las rocas graníticas
alrededor de ellos están menos distorsionadas. El padrón formado superficialmente es
semejante a los arreglos de las placas de hoy (fig. 3).
¿Entonces las placas de la tierra trabajaban de la misma forma que lo hacen ahora?.
Las evidencias son escasas, pero sugieren que si podía haber en ese entonces cierta
interacción entre placas de corteza, estas estaban lejos de trabajar como las placas hoy
día. Hace 4.000 millones de años, debe haber habido algo como subducción, porque las
antiguas formas graníticas se formaron como lo hacen hoy. Pero las áreas graníticas
estables eran generalmente más pequeñas que las placas, por lo que el cordón de
piedras verdes experimentaban un diferente tipo de deformación. Los cinturones de
montañas como los Himalaya registran enormes movimientos horizontales; su
deslizamiento hacia arriba en el resultado de dos masas de tierra convergentes. Desde
que comenzaron a chocar, India y Asia se han movido por lo menos 2.000 kilómetros.
Hay muchas evidencias que el cordón de piedras verdes se han levantado y combado,
pero hay muy pocos signos de choques. En cambio, los cordones de montañas
modernos, formados por colisiones continentales se conocen como "cinturones
orogénicos": ellos se deben a los movimientos relativos de las placas.
Los cordones orogénicos más antiguos reconocibles se formaron alrededor de 2.000
millones de años atrás. La principal razón por su ausencia anterior es probablemente el
calor. La Tierra comenzó su vida con una temperatura de alrededor de 1.000° C y
desde entonces se ha estado enfriando. Durante los primeros 2.000 millones de años,
el manto estuvo demasiado caliente para que actuaran las placas en una forma rígida
como lo hacen hoy día. Las rocas deben haber sido demasiado amorfas como para
soportar movimientos horizontales. En la medida que las placas se enfriaron, apareció
el comportamiento moderno de las placas tectónicas y con él, el constante reciclarse
del volumen de las crestas de la Tierra.
Las "placas tectónicas" demuestran que el piso del océano está continuamente
creándose y destruyéndose: Son muy nuevas y nada de ella tiene más de 200 millones
de años. Los continuos cambios útiles en los movimientos relativos de las placas,
contraen y expanden las cuencas oceánicas, en la misma forma que los continentes se
separan y se unen. El mapa del pasado de la superficie de la Tierra, era muy diferente
al mapa de hoy día. Terremotos, volcanes y erosiones por el viento y el agua, han
estado presente casi desde el comienzo. Han crecido las extensiones de las montañas y
las edades de hielo han venido y se han ido. A pesar de esta continuidad, la Tierra debe
haberse visto como algo muy extraño durante la mayor parte de su historia, ya que
carecía de plantas y vida vegetal.
Los elementos vivos jugaron un enorme rol en la evolución del ambiente en que hoy
vivimos. Las primeras manifestaciones vivas en la Tierra fueron algas, preservadas en
rocas fósiles de hace 3.500 millones de años. La vida antes de esto era tan primitiva,
que incluso no existía la fotosíntesis. Así por ejemplo, las primeras etapas de la vida,
fueron probablemente algas y bacterias que se desarrollaban en aguas calientes o en
las fuentes hidrotermales, o en las emanaciones de las profundidades del océano, cerca
de las erupciones volcánicas. Más tarde, en la media que la atmósfera fue más rica en
oxígeno, fueron apareciendo en el océano formas de vida más complejas. Pero la vida
en la tierra estuvo restringida por miles de millones de años a formas muy simples. Las
primeras algas deben haber existido en ambientes muy especiales como en las
emanaciones de vapor del Parque Nacional Yellowstone. Los ríos, sin las plantas que
estabilizaran sus cursos, seguramente desarrollaron muchas rutas alternativas.
Las plantas se establecieron desde hace solo 350 millones de años, cuando aparecieron
los bosques, que luego llegaron a formar los depósitos de carbón. Seguramente que los
árboles de entonces, nos parecerían extraños ahora. En esa superficie extraña se
desarrollaron grandes y complejas criaturas, hasta que eventualmente llegó el Hombre.
Pero sin la interacción de la biología, la física y la química de la Tierra, la historia habría
sido muy diferente.
Placas tectonicas
La superficie de la tierra, hoy está constituida por una media docena de "placas", que
consisten en una gran superficie de rocas que están constantemente rozando una con
otra. Estan placas miden miles de miles de kilómetros y tienen un grosor que varía
entre 10 a 100 kilómetros. Ellas constituyen un segmento de la "litósfera", la capa mas
superficial y dura. En sus bordes desaparecen las rocas de la superficie, para unirse a la
"astenósfera" inferior y forman nuevas cortezas en algún lugar en las lomas que corren
debajo del océano.
Las placas tectónicas constituyen el marco en que se recicla constantemente la
superficie
rocosa que caracteriza la corteza de la tierra de hoy día. Hay siete placas principales
del Pacífico, de América, de Eurasiana, la Norteamericana, la Sudamericana, la
Indoaustraliana, y la Africana. También hay muchas otras mas peueñas, que también
luchan por posiciones. Donde dos placas se separan (lo que sucede en el fondo de los
océanos) se produce lava que se solidifica en nuevas cortezas. Donde las placas
resbalan unas contra otras, se producen terremotos. Donde dos placas convergen, una
penetra debajo de la otra o las dos chocan, y se producen terremotos, aparecen
aparecen volcanes o nacen nuevas cadenas de montañas. Cuando una placa del océano
choca con un continente como sucede hoy en día a lo largo de la costa de Sudamérica,
el borde de la "litósfera" oceánica se mete debajo de la gruesa litósfera continental que
es mas densa. Esta estructura se llama "zona de subducción". En todo el mundo, esta
es la fuente del mayor origen de los terremotos.
La subducción puede también producirse cuando dos placas oceánicas convergen: una
o la otra desciende como una plancha. En la medida que se produce dentro del manto
caliente, permanece fría y relativamente rígida. Al descansar se dobla y eventualmente
se extiende produciendo terremotos que son diferentes por su profundidad ( a 700
kilómetros bajo la superficie). La mayor parte de las rocas en una profundidad de unos
cuantos cientos de kilómetros, están demasiado calientes y por lo tanto son mas
plásticas, por lo que no fallan abruptamente y no generan terremotos. Los sedimentos
que se acumulan en el piso del océano, rozan en los bordes de dos placas , donde el
calor y la resión adicional que se genera, causan metamorfismo, que cambia los
minerales que las rocas contienen.
Algunos sedimentos descienden dentro del manto, como parte de la listósfera oceánica.
Porque tanto el sedimento y el basalto del fondo del océano son húmedos, una de las
primeras cosas que suceden es que los componentes mas volátiles (principalmente
agua y dióxido de carbono) se funden. El agua y los elementos mas volátiles suben
hacia el borde del manto sobre la loza. El manto en esta región, generalmente es
líquido, pero no fundido, por la presión y temperatura que prevalecen en ese lugar.
Pero al agregarse agua a dióxido de carbono, comienza a fundise. Cuando se funden,
se produce todo un rango de rocas fundidas diferentes, incluyendo granito.
Este es el mecanismo por el cual se producen cadenas de volcanes bajo las zonas de
subducción, como por ejemplo en los Andes, donde la placa de nazca desciende bajo
sudamérica. Cuando la subducción sucede entre dos placas oceánicas, se forma una
cadena de islas volcánicas. Este es el orígen de las cadenas de las islas Marianas,
donde la placa del Pacífico se está deslizando debajo de la placa mas pequeña de las
Filipinas, al norte de Australia.
Bibliografía
1.- The Evolving Continents. Brian Windley, Wiley, Londres, 1995.
2.- The Solid Earth. Mary Fowler. Cambridge University Press, 1990.
Artículo aparecido en New Scientist, 14 diciembre 1996
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl