Ud 2.a. EL ORIGEN DEL PLANETA TIERRA Y LOS MÉTODOS DE

EL ORIGEN DEL PLANETA TIERRA
1. EL ORIGEN DEL UNIVERSO
Se calcula que el Universo se originó hace unos 13.700 millones de años (M. a.) debido
a una Gran Explosión denominada Big Bang. Esto fue el origen del espacio y del tiempo. Toda
la materia y energía se encontraban concentradas en un mismo punto, en el denominado
átomo primigenio o huevo cósmico que debido a la inestabilidad terminó explotando. Al
explotar, la energía se fue transformando en materia (teoría de la relatividad). Desde
entonces, el espacio que forma el Universo se expande impulsado por aquella explosión y
posiblemente también por una misteriosa fuerza expansiva, denominada energía oscura
(un70%). Tras la explosión se empezaron a formar los núcleos de átomos de hidrógeno y helio.
A medida que el universo aumentaba su volumen, disminuía su temperatura y los fragmentos
del átomo primigenio diseminados en todas las direcciones se fueron condensando y
formando nebulosas, galaxias, estrellas, planetas y el resto de estructuras astronómicas. En el
Universo todo esta movido por dos fuerzas, la de la gravedad que tiende a comprimir la
materia y la misteriosa fuerza de expansión.
El universo presenta billones de estrellas que se organizan en cúmulos (abiertos o
globulares), estos a su vez, se asocian formando galaxias. Las galaxias, que pueden tener
diferentes formas, se asocian en cúmulos de galaxias.
La cosmología moderna (cosmología es la ciencia que estudia la estructura y el origen
del universo) comenzó en la primera mitad del siglo XX cuando Edwin Hubble estudiaba la
estructura del cosmos con un telescopio de 250 cm y Albert Einstein explicaba de forma
teórica las observaciones de Hubble con su teoría de la relatividad.
Hubble observó en 1924 que casi todas las galaxias se alejan de nosotros, tanto más
rápido cuanto más lejos están. El universo, está por tanto en expansión.
2. EL ORIGEN DEL SISTEMA SOLAR
Para explicar el origen del Sistema solar ha sido necesaria una gran variedad de teorías
que pudiesen explicar las características que este tiene:

Una estrella central. El Sol y los planetas que giran en el mismo sentido.

Los planetas giran describiendo órbitas casi circulares en el mismo plano. Los satélites
hacen lo mismo respecto a sus planetas.

El movimiento de rotación de casi todos los planetas se produce en el mismo sentido que
el de traslación.

Planetas interiores terrestres son más pequeños y más densos y planetas exteriores
gaseosos son mayores.

El Sol, con el 98% de la masa, solo contiene el 2% del momento angular; Júpiter, con
menos del 0,2% de masa, contiene el 60% y Saturno, el 25% del momento.

Las sustancias más densas aparecen hacia el interior de los planetas.

Los cuerpos planetarios presentan huellas de impactos de meteoritos.

La edad estimada de desintegración radiactiva de la Tierra, la Luna, los asteroides y los
demás planetas es de unos 5000 millones de años.
La teoría más aceptada actualmente es la teoría de los planetesimales (Weizsäcker y
Kuiper), pero existieron otras como la teoría de las mareas, la de la estrella binaria, la nebular,
la de las turbulencias, etc.
Esta teoría propone que los acontecimientos que llevaron a la formación del sistema
solar se resumen en las siguientes etapas:
a) (Colapso gravitatorio) Una nebulosa empezó a comprimirse por efecto de la gravedad,
se dedujo el tamaño de la nube y aumentó su densidad. Por ello empezó un
movimiento rotatorio.
b) (Nebulosa-crisálida) La nube densa se aplanó como un gran disco con una
protuberancia central. Esta masa con gran presión y temperatura dieron comienzo las
reacciones de fusión. Apareció el Sol compuesto principalmente por hidrógeno, helio y
silicatos.
Mientras la nebulosa crisálida se va enfriando y condensando, el Sol se individualizó
cada vez más y las partículas de menor tamaño empezaron a condensarse en diversas
órbitas, formando cuerpos sólidos cada vez mayores: los llamados planetesimales.
c) (Acreción colisional) Los planetesimales fueron creciendo debido al choque entre ellos
mismos y como consecuencia de ello se produjo una fuerza capaz de atraer otros
cuerpos (acreción gravitacional). Esta fase de crecimiento progresivo dio lugar a la
diferenciación geoquímica de los planetas. El Sol atrajo a los diferentes cuerpos
planetarios quedando los planetas terrestre o menores más cercanos por ser más
densos y los planetas gaseosos o mayores más lejanos por ser menos densos.
3. LA FORMACIÓN DEL PLANETA
Como consecuencia de la diferenciación gravitatoria, los elementos más densos, como
el hierro y otros metales, caerían hacia el interior, mientras que los menos densos, como los
silicatos, se concentrarían en las partes más externas del planeta. De este modo se originaron
las tres partes en que está estructurada internamente la Tierra y otros cuerpos planetarios:
núcleo (Hierro y niquel), manto (Silicatos de hierro y magnesio) y corteza (Silicatos de
aluminio).
En cuanto a los gases se condensarían pasando a formar la atmósfera primitiva, muy
diferente a la actual. Por último, la condensación del vapor de agua dio origen a copiosas
lluvias que formarían la hidrosfera.
El papel de los seres vivos en la evolución planetaria fue importante. Su aparición y
desarrollo genera un nuevo sistema terrestre, el de la vida o biosfera, que en interacción con
las antiguas capas genera la progresiva modificación y composición de cada una de ellas. Los
procesos importantes que producen interacciones son:
-La fotosíntesis que produce el enriquecimiento en oxígeno libre y la disminución del dióxido
de carbono atmosférico.
-La génesis de los suelos, soporte de la vida, en que confluyen los cuatro sistemas, aire, agua,
tierra y seres vivos.
-La formación de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) a partir de la
acumulación de materia orgánica en condiciones especiales. Estas rocas constituyen
reservorios de carbono que, al ser devuelto masivamente a la atmósfera por procesos de
combustión, altera la composición y por tanto el equilibrio de la misma (incremento del efecto
invernadero).
-La actividad microbiana, que provoca la precipitación de carbonatos disueltos en el agua del
mar, favoreciendo la génesis de grandes cantidades de rocas calizas así como la formación de
esqueletos calcáreos y bioconstrucciones, especialmente las grandes masas de arrecifes de
coral y los estromatolitos.
4. METODOS DE ESTUDIO DEL INTERIOR DEL PLANETA Y SU
ESTRUCTURA.
4.1 Métodos de estudio directo
Consiste en la observación directa de los materiales que componen nuestro planeta o
de algunas de sus propiedades físicas.
Por ejemplo la realización de sondeos, el análisis de materiales expulsados por los
volcanes, la cantidad de dióxido de carbono obtenido al disolver una roca caliza. Proporcionan
datos comparables (información que puede ser tomada repetidamente por diferentes agentes
para comparar errores o fraudes) y para aplicarlos el material debe ser accesible y
manipulable.
Existen diferentes proyectos de sondeos de investigación como el DSDP, el IPOD o el
IODP. Si te interesa saber más sobre ellos puedes realizar un trabajo para la asignatura que te
ayudará a subir la nota. Entregar el día del siguiente examen.
4.2 Métodos de estudio indirecto
Existen diversos métodos indirectos. Algunos ya los hemos estudiados como la
medición de isótopos o dataciones radiométricas. Otros los estudiaremos a continuación.
4.2.1
MÉTODOS SÍSMICOS
Se basa en el estudio de la propagación de las ondas sísmicas de los terremotos.
Los terremotos son vibraciones producidas por la liberación brusca de la energía acumulada en
las rocas que, sometidas a esfuerzos, superan el límite de elasticidad y se rompen de forma
súbita. Los deslizamientos de la corteza tienen lugar en las superficies de fractura (planos de
falla) de grandes fallas que suelen estar asociadas con los bordes de las placas litosféricas. Las
ondas sísmicas se originan en el foco profundo o hipocentro, localizado en el plano de falla en
la zona donde se inicia el desplazamiento. En la vertical del hipocentro se encuentra el foco
superficial o epicentro, donde se producen las ondas superficiales.
En el hipocentro se originan dos tipos de ondas que son registradas en los sismogramas. (P y S)
Una onda sísmica son vibraciones que se producen en los materiales a partir de una
zona denominada foco. Penetran hacia el interior de la tierra, o parten de un punto del interior
de la tierra y llegan a la superficie. El estudio de su trayectoria indica los materiales o rocas que
se van encontrando.
Tipos de ondas sísmicas:
ONDAS P o longitudinales.
Se transmiten como el sonido y se propagación depende de la compresibilidad del
medio. Se transmitirán por todos los medios. Pero recorre a más velocidad el medio sólido
pues es más rígido que el líquido y gaseoso. Cuando cambian de un material a otro sufren
deceleraciones o aceleraciones, así como refracciones. Son las primeras en detectarse en los
sismógrafos. Se mueven con el movimiento de un muelle que está estirándose y
comprimiéndose.
ONDA S o transversales:
Su transmisión o propagación se basa en la elasticidad del medio. La elasticidad es la
capacidad que tiene un cuerpo de recuperar su forma primitiva cuando cesa la fuerza que lo
mantenía tenso. Su movimiento es semejante al de una cuerda que agitamos.
Sólo son plásticos los medios sólidos, luego estas ondas no transmiten en medio líquido o
gaseoso.
ONDAS L o superficiales:
Son las que se propagan en la superficie y originan los mayores efectos catastróficos.
Las hay de diferente tipo Rayleigh y Love.
Analizando los sismogramas y los gráficos de velocidad de las ondas sísmicas según
atraviesan las diferentes capas de un planeta, podemos averiguar cuántas capas lo componen
y cuál es su estado físico y su rigidez.
Cuando la velocidad de la onda aumenta, aumenta la rigidez del medio.
Cuando se produce un cambio brusco en la velocidad de la onda, existe una
discontinuidad que puede ser de primer o segundo grado dependiendo de lo brusco que sea
ese cambio en la velocidad de la onda.
Realicemos algunos ejercicios relacionados con todo esto.
4.2.2
MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS
Toda la materia, por el hecho de tener masa produce una fuerza de atracción sobre el
resto de materia a su alrededor (atracción gravitatoria) ejercida en todas las direcciones del
espacio, formando un campo gravitatorio. La fuerza de la gravedad produce una aceleración
(g= 9,8 m/s2). La intensidad de la fuerza gravitatoria, es mayor cuanto mayor es la densidad del
objeto.
Los materiales que forman la tierra tienen diferentes densidades lo que hace que
existan diferencias en la intensidad del campo gravitatorio.
Cuando en una zona el valor de g es algo mayor de lo esperado, se considera que
existe una anomalía gravimétrica positiva (materiales con mayor densidad en el subsuelo), si es
al revés, se considera una anomalía gravimétrica negativa e indicaría materiales de menor
densidad en el subsuelo.
Para conocer la causa de las variaciones de la gravedad de la Tierra debemos recordar
la ley de gravitación universal de Newton, según la cual un objeto situado en la superficie de
la Tierra, o cerca, es atraído por la fuerza de la gravedad, dirigida hacia el centro del planeta,
según la fórmula siguiente:
F  G Mm d
El valor de la gravedad se mide por la aceleración g (g= GM/d2), cuyo valor medio es
de 9,81 m/s2. La unidad de medida de la gravedad en el Sistema Internacional es el gal. El gal
equivale a 1 cm/s2 . Para detectar variaciones muy pequeñas de la gravedad se utiliza el
miligal: 1 gal= 980 000 miligales (mgal). El valor de la gravedad en un punto se mide con los
aparatos denominados gravímetros.
Si la Tierra fuese homogénea y de radio constante, el valor de la gravedad sería igual
en todos los puntos de la Tierra. Sin embargo, dicho valor varía debido a la altitud, la latitud,
los distintos relieves y la distribución de las masas en el interior de la Tierra.
Se denomina anomalía de la gravedad de un punto a la diferencia entre el valor real
de la gravedad gr medida con un gravímetro, y el valor teórico de la gravedad en ese punto g.
Anomalía de la gravedad= greal - gteórica
Se denomina anomalía residual de la gravedad a la producida por las distintas
densidades de los materiales. Se sabe que cuanto mayor es la densidad de los materiales en un
punto, mayor es el valor de la gravedad en ese punto. Esta anomalía se calcula con la fórmula
de la figura siguiente. La greal corregida es la gravedad real a la que se le han eliminado los valores
de la anomalía causados por la latitud, la altitud y el relieve.
Anomalía residual de la gravedad = greal corregida - gteórica
A nivel global de la Tierra, se observa que en las montañas, la anomalía residual de la
gravedad es marcadamente negativa, es decir que el valor real de la gravedad es inferior al
teórico; esto implica que hay materiales de menor densidad.
En los océanos, la anomalía es positiva, es decir, el valor real es superior al valor
teórico esperado. La corteza oceánica es más densa que la continental. La densidad de la
corteza continental es de 2,7 g/cm3, mientras que la densidad de la corteza oceánica es de 2,9
g/cm3 . La densidad del manto es de 3,3 g/cm3 . Cuando dos placas litosféricas chocan, la que
tenga litosfera oceánica siempre se hundirá con respecto a la que tenga corteza continental, ya
que se hunde la más densa.
El método gravimétrico ha dado explicación a los ascensos y descensos (subsidencia o
hundimiento) que se producen en distintos puntos de la Tierra. Todos estos movimientos no se
pueden explicar más que como movimientos isostáticos.
La ISOSTASIA propugna que las anomalías o desequilibrios gravitatorios que hay en la
Tierra no pueden existir a partir de una determinada profundidad. Por ello propone la
existencia de un nivel de compensación isostático en el interior de la Tierra, que soporta el
mismo peso por unidad de área, es decir, la misma presión en cualquier punto de este nivel.
Los materiales por encima de este nivel sufrirán movimientos isostáticos de ascenso o
descenso, para llegar al equilibrio gravitatorio.
En la figura siguiente se muestra el modelo que simula el equilibrio isostático donde
unas piezas de madera (de 0,65 g/cm3 de densidad aproximadamente) están soportadas por el
agua ( de densidad 1 g/cm3 ). Los bloques mayores se sumergen a mayor profundidad porque
pesan más. En la base tendrían su nivel de compensación isostático. Si se coloca otro bloque
pequeño de madera encima de uno de los anteriores, el nuevo bloque combinado se hundirá
hasta alcanzar un nuevo equilibrio isostático. Si lo volvemos a quitar, el bloque vuelve a su
posición original. Esto es una simplificación de lo que ocurre en los primeros kilómetros de
profundidad dela Tierra, para conseguir el equilibrio isostático, es decir, ascensos o descensos
de los materiales según el peso que tengan. Los relieves positivos, como las grandes
cordilleras, deben tener un reflejo en el interior, unas “raíces”, que alcanzan zonas más
profundas en el material que lo soporta por debajo, como muestra la figura.
Por ejemplo la península escandinava se está levantando debido a que se ha fundido
el casquete de hielo que la cubría en los últimos periodos glaciares. También por isostasia se
explica que las cordilleras recientes, al ir perdiendo materia por erosión, sufran progresivos
levantamientos. Éste es el motivo por el cual las raíces de antiguas cordilleras pueden ahora
estar en la superficie de la Tierra, aunque originalmente se encontraban a muchos kilómetros
de profundidad.
4.2.3
MÉTODOS MAGNÉTICOS
El método magnético es un método indirecto que basa sus estudios en las variaciones
del campo magnético terrestre. La Tierra tiene un campo magnético dipolar, con un polo
norte magnético y un polo sur magnético. Las líneas de fuerza en la nomenclatura física van
del polo norte al polo sur magnético (Ver el imán de la imagen inferior). En nuestro planeta,
para hacer coincidir los polos magnéticos con los geográficos, denominamos polo norte
magnético a lo que en física llaman polo sur magnético y al revés. Por ello las líneas de fuerza
aparentemente van al revés.
El origen del campo magnético terrestre está en el núcleo de la Tierra. La interacción
de un núcleo externo fluido donde se generan cargas eléctricas en movimiento, y un núcleo
interno sólido, formado por una aleación de hierro y níquel que actúa como un imán, produce
un campo magnético por un proceso similar al de una dinamo.
La magnetosfera es la zona atmosférica donde se detecta el campo magnético de la Tierra.
Algunos minerales que contienen átomos de ciertos elementos, como el Fe, son
minerales magnéticos. Estos átomos se comportan como pequeños imanes con sus polos
magnéticos. Los minerales magnéticos registran el campo magnético de la Tierra existente en
el momento de su formación.
El magnetismo remanente de una roca es el que tiene debido al magnetismo de los
minerales que contiene. Los elementos magnéticos pierden su magnetización por encima de
una temperatura determinada, que se llama punto de Curie. En las rocas esta temperatura
está alrededor de los 500ºC. El magnetismo termorremanente es un tipo especial de
magnetismo remanente que adquiere una roca cuando se enfría y solidifica por debajo del
punto Curie. Cuando una roca fundida se va enfriando, como por ejemplo la lava que sale de
una dorsal, comienza la cristalización de sus minerales. Al pasar por el punto Curie, los átomos
de hierro de la lava actúan como imanes, y se orientan en la dirección del campo magnético
existente en la Tierra en ese momento.
Se denomina paleomagnetismo al magnetismo existente en otras épocas geológicas, y
que ha quedado impreso como un magnetismo remanente en algunas rocas que se estaban
formando en aquel momento. Este magnetismo se puede mantener a lo largo del tiempo si no
se sobrepasa el punto Curie.
Los magnetómetros son aparatos que miden el magnetismo de las rocas.
El campo magnético de la tierra ha sufrido cambios a lo largo de la historia del planeta.
Actualmente el polo norte magnético (polo negativo) se encuentra cerca del polo norte
geográfico, y el polo sur magnético (polo positivo) cerca del polo sur geográfico. El flujo
magnético ha cambiado de sentido repetidamente a lo largo del tiempo geológico. Es decir, el
polo norte magnético estaba en la posición opuesta a la actual. Estas variaciones de polaridad
se denominan inversiones del campo magnético.
Se dice que el campo magnético es normal cuando muestra una disposición de los
polos igual a la actual, y que es inverso cuando muestra una disposición de los polos con la
posición inversa a la actual. Una brújula, en un momento del pasado con campo magnético
inverso, indicaría el polo norte donde hoy está el sur.
El estudio del magnetismo de la Tierra y del magnetismo remanente de las rocas ha
permitido hacer interpretaciones importantes en geología, como por ejemplo la confirmación
de la hipótesis de la expansión de los fondos oceánicos. Esta hipótesis postula que en las
dorsales se forma litosfera oceánica a partir del magma procedente del manto. Este magma se
incorpora a ambos lados de la dorsal, formándose nuevo suelo oceánico, que empuja a los
materiales más antiguos, produciéndose así la expansión de fondos oceánicos.
El estudio de los cambios de la polaridad magnética, es decir, el estudio de las
inversiones del campo magnético de la Tierra, permitió confirmar esta hipótesis según el
siguiente razonamiento: La lava que solidifica al salir de la dorsal queda magnetizada según el
campo magnético existente en la tierra en ese momento.
A lo largo de la historia del planeta ha habido inversiones del campo magnético, que
han tenido que quedar registradas en las lavas que en el pasado salían por la dorsal. Por tanto,
deberían observarse bandas con magnetismo normal e inverso, alterno y simétrico a ambos
lados de la dorsal. Estas bandas deberían tener la misma edad. Estudios de magnetismo de las
rocas del fondo oceánico, junto con medidas de la edad, han permitido confirmar esta
hipótesis, uno de los pilares en los que se fundamenta la teoría de la tectónica de placas.
4.2.4
MÉTODOS GEOTÉRMICOS
La tierra almacena en su interior gran cantidad de energía calorífica, tal como se
manifiesta por ejemplo, en las erupciones volcánicas. El método térmico utiliza las variaciones
de flujo térmico de la Tierra para formular hipótesis sobre la estructura y composición de su
interior.
Se denomina flujo térmico al calor que desprende la tierra por unidad de superficie y
que procede del interior de esta.
El flujo térmico de la Tierra es de 1,4 HFU (Heat Flow Units en sus siglas inglesas)
1 HFU = 10-6 cal/cm2 s…. En el Sistema Internacional 61 m . W. m-2
El flujo térmico varía a lo largo de la superficie de la Tierra con respecto a este valor
promedio, es decir, el flujo térmico presenta anomalías.
Hay anomalías térmicas positivas cuando el flujo térmico es superior al flujo térmico
medio. Algunas zonas con anomalías positivas se localizan en las dorsales, en las cordilleras
recientes y en los llamados puntos calientes de la Tierra.
Hay anomalías térmicas negativas cuando el flujo térmico es inferior al flujo térmico
medio. Las zonas con anomalías térmicas negativas se encuentran en las zonas continentales
más antiguas y en las fosas oceánicas.
El calor interno de la Tierra tiene dos orígenes diferentes. Por un lado está el calor
primigenio, o calor que se conserva en el núcleo de la Tierra de las etapas iniciales de su
formación. Por otro lado, está el calor radiactivo, que es el calor generado en la desintegración
de elementos como el uranio 235, uranio 238, torio 232 o potasio 40, en distintos puntos del
interior de la Tierra. El calor primigenio y el calor radiactivo son los combustibles de la gran
máquina de la Tierra.
El calor se transfiere de tres formas en el interior de la Tierra. Por convección, por
conducción y por radiación. La transferencia de calor por convección es el proceso más eficaz
en el manto y en el núcleo, y transmite el calor primigenio hasta la superficie. En este proceso,
la energía térmica se transforma en mecánica, y es la responsable del movimiento de las placas
litosféricas. La conducción es el proceso más importante en la corteza y la litosfera. La
radiación es el proceso de transferencia de calor que ocurre en puntos del interior de la Tierra
con elementos radiactivos.
El gradiente geotérmico es la variación de la temperatura con la profundidad. En las capas
externas del planeta, el gradiente geotérmico es de 25 ºC/Km. Este valor no es constante.
La principal aplicación del estudio del flujo geotérmico y de las variaciones de
temperatura del interior de la Tierra ha sido explicar el origen del movimiento de las placas
litosféricas.
4.2.5
LOS METEORITOS
Los meteoritos son fragmentos de materia extraterrestre que alcanzan la superficie de
la Tierra sin que se hayan vaporizado al atravesar la atmósfera. El estudio de los meteoritos
revela datos importantes sobre la composición de nuestro planeta.
Hay tres grandes tipos de meteoritos: Los meteoritos rocosos, los metálicos y los
metalo-rocosos. Los meteoritos rocosos son el grupo dominante que cae a la Tierra; se
subdivide en condritas y acondritas.
Las condritas son meteoritos rocosos no diferenciados. Su composición es la
composición química media de la Tierra (corteza, manto y núcleo mezclados). Están formadas
por silicatos mezclados de hierro y níquel. Las condritas presentan unas estructuras esféricas
que se denominan cóndrulos, de ahí su nombre.
Las acondritas son meteoritos rocosos diferenciados porque provienen de cuerpos
planetarios que han tenido esta fase en su formación. Están formados por silicatos. No
presentan cóndrulos. Estos meteoritos contienen la evidencia de los cambios que sufrieron los
cuerpos de los que ellos fueron arrancados, presumiblemente por impactos. La mayoría
proviene del cinturón de asteroides, aunque algunos vienen de la Luna y de Marte. Se supone
que la composición de algunas acondritas es similar a la del manto de la Tierra.