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Universidad de Chile Departamento de Pregrado Cursos de Formación General www.cfg.uchile.cl Curso: La tierra fuerzas de la naturaleza y el hombre LOS MATERIALES DE LA CORTEZA La materia de la corteza se presenta en los estados sólido, líquido y gaseoso, y los dos factores mayores que determinan el estado en que el material existe, son la temperatura y presión. La diferencia entre estos tres estados está relacionada con el grado de ordenamiento de los átomos, que es la unidad mas pequeña del elemento y que posee las propiedades de éste. La composición de los átomos de cada elemento consiste en un núcleo de protones y neutrones, con un enjambre circundante de electrones, y la variación progresiva de ésta se ve reflejada en la “tabla periódica de los elementos”. La “tabla periódica de los elementos” muestra el nombre y símbolo de todos los elementos conocidos del cosmos, formados naturalmente en el proceso evolutivo del universo. De los mas livianos y simples, cada elemento es progresivamente mas complejo, con un número creciente de partículas nucleares y electrones. La propiedad de los elementos de vincularse químicamente de diferentes maneras (iónica, covalente o metálica), controla el como se combinan entre ellos para formar minerales. LOS MINERALES No es extraño afirmar que vivimos en un mundo de minerales. Los minerales están en todas partes alrededor nuestro: gemas y brillantes son minerales; la grava y la arena son minerales; el barro es una mezcla de minerales microscópicos; el hielo es un mineral, e incluso el polvo en el aire que respiramos está formado por finos granos de minerales. Los minerales sustentan nuestras vidas y nos proveen continuamente como sociedad. La casa donde vivimos, los automóviles, las carreteras y otras estructuras de nuestra sociedad, como la mayoría de las cosas que tocamos, están hechos de minerales. Pero la importancia de los minerales se extiende mas allá de su valor como depósito económico, ya que ellos son la substancia del sistema natural de la tierra, como son los bloques de roca Los minerales son creados y destruidos por variados procesos. En general, todos los procesos dinámicos de la tierra envuelven la construcción y destrucción de minerales, como modelos de cambio de un estado al otro En la profundidad de la tierra, la alta temperatura y presión remueve los átomos de una estructura cristalina de algunos minerales y los re-combina formando así nuevos minerales. Otros minerales crecen al enfriarse las lavas arrojadas de los volcanes, y otros se acumulan y crecen en los océanos a partir de soluciones. Cuando la superficie de la tierra se meteoriza y eroda, algunos minerales se destruyen y otros crecen en su lugar. Consecuentemente, podemos afirmar que para entender la dinámica de la tierra, es esencial tener algún conocimiento de los minerales mayores, esto es, conocer sus características generales y sus propiedades físicas MINERALES Y ROCAS Un mineral es un sólido inorgánico natural, con un estructura interna especifica (esto es, los átomos constituyentes tienen un ordenamiento o arreglo específico que define un modelo geométrico definitivo), y una composición química que varía sólo dentro de ciertos límites (la combinación específica de los elementos constituyentes puede ser expresada en una fórmula química). Cada tipo de mineral es estable sólo bajo condiciones específicas de presión y temperatura. Los minerales pueden crecer cuando se agregan átomos a su estructura cristalina, al cambiar la materia de su estado gaseoso o líquido a sólido. De igual modo, los minerales se disuelven o mezclan cuando los átomos son removidos de la estructura del cristal. Toda especie mineral tiene propiedades físicas y químicas bién definidas, no importando dónde , como y cuando fue formado. Alguna de las propiedades físicas y químicas mas fácilmente observables son: su estructura cristalina, su clivaje o fractura, su dureza, su peso específico, su color y su rayado. Los minerales de silicatos (Si O2)son los mas abundantes y forman mas del 95% de la corteza terrestre. Los mas importantes minerales de silicatos son feldespatos, micas, olivinas, piroxenas, anfibolitas, cuarzo y minerales de arcilla. algunos minerales no silicatados importantes son calcita, dolomita, yeso y halita Los minerales pueden crecer e interrumpir su crecimiento bajo condiciones específicas de presión, temperatura y composición química. El crecimiento final de un cristal lo determina la geometría del espacio disponible donde crece el cristal. En ambientes sin restricciones cada cara del cristal crece libremente con igual facilidad, formándose un cristal “perfecto”. Cuando un cristal crece en ambientes restringidos puede no llegar a desarrollar caras o superficies cristalinas perfectas. LAS ROCAS Una roca se define como un conjunto o agregado de minerales, como “dos o mas minerales asociados químicamente”. esto es, Una clasificación mayor de las rocas es aquella basada en su génesis. De acuerdo con ella, se conocen tres tipos diferentes de rocas: rocas ígneas, rocas sedimentarias y rocas metamórficas. Las rocas ígneas son aquellas rocas que se originan bajo la superficie de la tierra a partir de la solidificación (cristalización) de un magma. El magma es un material rocoso fundido a muy alta temperatura de (800° a 1400 °C), que se forma y permanece bajo la superficie de la tierra. Éste puede solidificar (cristalizar) bajo la superficie y formar un cuerpo intrusivo de roca ígnea, o extruir como liquido al exterior (lava), dónde se enfría y solidifica para forma una roca volcánica. Los procesos formadores de rocas ígneas están ligados al sistema dinámico tectónico de la tierra, y por lo tanto, se trata de procesos endógenos. Las rocas sedimentarias son aquellas rocas que se originan sobre la superficie de la tierra a partir de un agregado de clastos o fragmentos de otras rocas preexistentes. Primeramente se acumulan los fragmentos o clastos (sedimentos) para formar un depósito y luego, por un proceso de diagénesis (litificación), el depósito sedimentario se transforma en roca (roca sedimentaria.) Los procesos formadores de rocas sedimentarias están ligados al sistema hidrológico de la tierra, y por lo tanto se trata de procesos exógenos. Las rocas metamórficas son aquellas rocas que se originan bajo la superficie de la tierra a partir de rocas ígneas y sedimentarias, por cambios en su composición mineralógica y textural, como efectos de la presión y la temperatura a que son sometidas. Los cambios se producen sin dejar el material el estado sólido. Los procesos formadores de rocas metamórficas están ligados al sistema dinámico tectónico de la tierra, y por lo tanto se trata de procesos de tipo endógenos. La Tierra como un sistema: el ciclo de las rocas La Tierra es un sistema. Esto significa que nuestro planeta está formado por muchas partes inter-actuantes que forman un todo complejo. En ningún otro lugar se ilustra mejor esta idea que al examinar el ciclo de las rocas (Figura 1.12). El ciclo de las rocas nos permite examinar muchas de las inter-relaciones entre las diferentes partes del sistema Tierra. Nos ayuda a entender el origen de las rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, y a ver que cada tipo está vinculado a los otros por los procesos que actúan sobre y dentro del planeta. Aprender bien el ciclo de las rocas permite examinar sus inter-relaciones con mayor detalle a lo largo del libro. Ciclo básico Empecemos en la parte superior de la Figura 1.12. El magma es el material fundido que se forma en el interior de la Tierra. El magma acaba por enfriarse y solidificarse. Este proceso, denominado cristalización, puede ocurrir debajo de la superficie terrestre o, después de una erupción volcánica, en la superficie. En cualquiera de las dos situaciones, las rocas resultantes se denominan rocas ígneas. Si las rocas ígneas afloran en la superficie experimentarán meteorización, en la cual la acción de la atmósfera desintegra y descompone lentamente las rocas. Los materiales resultantes pueden ser desplazados pendiente abajo por la gravedad antes de ser captados y transportados por algún agente erosivo: aguas superficiales, glaciares, viento u olas. Por fin, esas partículas y sustancias disueltas, denominadas sedimentos, son depositadas. Aunque la mayoría de los sedimentos acaba llegando al océano, otras zonas de acumulación son las llanuras de inundación de los ríos, los desiertos, los pantanos y las dunas. A continuación, los sedimentos experimentan litificación, un término que significa “Conversión en roca”. El sedimento suele litificarse dando lugar a una roca sedimentaria cuando es compactado por el peso de las capas supra-yacentes o cuando es cementado conforme el agua de infiltración llena los poros con materia mineral. Si la roca sedimentaria resultante se entierra profundamente dentro de la tierra e interviene en la dinámica de formación de montañas, o si es destruida por una masa de magma, estará sometida a grandes presiones o a un calor intenso, o a ambas cosas. La roca sedimentaria reaccionara ante el ambiente cambiante y se convertirá en un tercer tipo de roca, una roca metamórfica. Cuando la roca metamórfica es sometida a cambios de presión adicionales o a temperaturas aun mayores, se fundirá, creando un magma, que acabara cristalizando en rocas igneas. Los procesos impulsados por el calor desde el interior de la Tierra son responsables de la creación de las rocas igneas y metamórficas. La meteorización y la erosión, procesos externos alimentados por una combinación de energía procedente del Sol y la gravedad, producen el sedimento a partir del cual se forman las rocas sedimentarias. Caminos alternativos Las vías mostradas en el ciclo básico no son las únicas posibles. Al contrario, es exactamente igual de probable que puedan seguirse otras vías distintas de las descritas en la sección precedente. Esas alternativas se indican mediante las líneas azules en la Figura 1.12. Las rocas igneas, en vez de ser expuestas a la meteorización y a la erosión en la superficie terrestre, pueden permanecer enterradas profundamente. Esas masas pueden acabar siendo sometidas a fuertes fuerzas de compresión y a temperaturas elevadas asociadas con la formación de montañas. Cuando esto ocurre, se transforman directamente en rocas metamórficas. Las rocas metamórficas y sedimentarias, así como los sedimentos, no siempre permanecen enterradas. Antes bien, las capas superiores pueden ser erosionadas y, consecuentemente, eliminadas, dejando expuestas las rocas que antes estaban enterradas. Cuando esto ocurre, los materiales son meteorizados y convertidos en nueva materia prima para las rocas sedimentarias. Las rocas pueden parecer masas invariables, pero el ciclo de las rocas demuestra que no es así. Los cambios, sin embargo, requieren tiempo; grandes cantidades de tiempo. El ciclo de las rocas y los sistemas dinámicos hidrológico y tectónico Cuando James Hutton propuso por primera vez el ciclo de las rocas, se sabia muy poco sobre los procesos por medio de los cuales una roca se transforma en otra; solo existían pruebas de que éstas se transformaban. De hecho, no fue hasta el desarrollo de la teoría de la tectónica de placas cuando surgió una imagen relativamente completa del ciclo de las rocas. En la Figura 1.13 se ilustra el ciclo de las rocas según el modelo de la tectónica de placas. Según este modelo, el material meteorizado procedente de las masas de tierra elevadas es transportado a los márgenes continentales, donde es depositado en capas que, sumadas, tienen un grosor de miles de metros. Una vez litificados, estos sedimentos crean el grueso prisma de rocas sedimentarias que flanquea los continentes. Por fin, la actividad relativamente tranquila de la sedimentación a lo largo de un margen continental puede verse interrumpida si la región se convierte en un limite de placa convergente. Cuando esto ocurre, la litosfera oceánica adyacente al continente empieza a avanzar poco a poco hacia abajo, entrando en la astenosfera situada por debajo del continente. A lo largo de márgenes continentales activos como éste, la convergencia deforma el prisma de rocas sedimentarias dando origen a cinturones lineales de rocas metamórficas. Conforme la placa oceánica desciende, algunos de los sedimentos subyacentes son transportados en dirección descendente hacia la astenosfera caliente, donde experimentan también metamorfismo. Por ultimo, algunas de esas rocas metamórficas son transportadas hacia zonas profundas donde las condiciones pueden desencadenar algo de fusión. El magma recién formado migrara entonces hacia arriba a través de la litosfera para producir rocas igneas. Una parte cristalizara antes de alcanzar la superficie y el resto hará erupción y se solidificara en la superficie. Cuando las rocas igneas quedan expuestas en la superficie, son inmediatamente atacadas por los procesos de meteorización, de forma que el ciclo de las rocas empieza de nuevo.