(Tema 3 \(Estructura y composición de la Tierra\))

PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
Observaciones directas
Observaciones indirectas
•
•Datos sísmicos:
indican presencia de
discontinuidades en el interior de la tierra.
Observación y análisis
sobre materiales
geológicos expuestos en
superficie o colectados a
profundidades
relativamente “someras”
•Datos de aceleración gravitacional :
permiten el calculo de la densidad
distribución dentro de La Tierra.
y su
•Datos de flujo de calor:
refleja la
abundancia y distribución de elementos
radioactivos en la corteza y manto de La Tierra
•Datos
cosmoquímicos:
permiten
establecer la composición y procesos de
formación de materiales presentes en el interior
de La Tierra
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
Datos sísmicos:
Permiten establecer la presencia de discontinuidades en el interior de La Tierra. El
comportamiento de las ondas sísmicas muestra que el interior de La Tierra es
claramente heterogéneo, en el sentido de que a diferentes profundidades, los
materiales presentan distintas propiedades elásticas.
Durante un terremoto se generan diversas ondas sísmicas, unas viajan por el interior de
la Tierra: son las primarias P y secundarias S, y otras lo hacen por la superficie como las
ondas Raleigh y Love.
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
Las ondas P (primarias) son ondas longitudinales o compresionales, lo cual significa que el suelo es
alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan a
una velocidad 1.73 veces de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material líquido o
sólido. Velocidades típicas son 1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito.
Las ondas S (secundarias o de cizalla) son ondas en las cuales el desplazamiento es transversal a la
dirección de propagación. Su velocidad es menor que la de las ondas primarias. Debido a ello, éstas aparecen
en el terreno algo después que las primeras. Estas ondas son las que generan las oscilaciones durante el
movimiento sísmico y las que producen la mayor parte de los daños. Sólo se trasladan a través de
elementos sólidos.
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
Existen regiones de la Tierra que no
reciben la señal del terremoto y que
siempre se localizaban en la misma
posición opuesta al epicentro del
sismo. Se reciben las ondas P pero
no a las S. Se empezó a consolidar
la posibilidad de que una capa
interior de la Tierra fuera fluida ya
que se conocía que las ondas S no
se propagaban en medios fluidos,
así se llegó a precisar que a partir
2900km de profundidad estaba
fundido el núcleo.
Zonas
de
sombra
heterogeneidad del núcleo.
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“P”→
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
Discontinuidades de 1re orden
Mohorovicic: limita la base de
la corteza con el manto
superior (≈
≈30 km)
Liu-Tromp-Dziewonski (1998):
heterogeneidad en el manto
inferior(≈
≈2600km)
Gutenberg: limita la base del
manto con el núcleo externo
(≈
≈2900 km)
Lehmann: limita la base del
núcleo externo con el núcleo
interno (≈
≈5150km)
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
DENSIDAD DE LA TIERRA
Datos de aceleración gravitacional :
Utilizando las leyes de aceleración gravitacional de (Newton), Cavendish (1731-1810) pudo
estimar la masa de la tierra, y con las medidas del radio terrestre, calculó la densidad
aproximada de la misma (5,46 g/cm3) siendo la aceptada en la actualidad de 5,52 g/cm3
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
DENSIDAD DE LA TIERRA
Ahora bien, ¿cómo explicar qué con una densidad promedio de la Tierra como la
calculada (5,52 g/cm3), se presente una densidad de los materiales rocosos de la
superficie terrestre (2,80 g/cm3) y una densidad interna > 5,46 g/cm3 ?
1) Debe haber un cambio en el estado físico (fases minerales o de agregación)
que incremente la densidad con la profundidad
2) Debe haber un cambio composicional que incremente la densidad con la
profundidad
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
DENSIDAD DE LA TIERRA
¿Cuál es la distribución de la densidad en el interior de la tierra?
• Dependencia de la velocidad
de las ondas sísmicas con la
densidad y la rigidez
V2 ∝ 1/ρ
ρ ; V2 ∝ µ
• La
densidad
total
debe
corresponderse con el momento
de inercia de la Tierra (calculado
por la constante de precesión de
los equinoccios)
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
DENSIDAD DE LA TIERRA
¿Cuál es la distribución de la densidad en el interior de la tierra?
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
DENSIDAD DE LA TIERRA
Modelo de cambio en el ensamblaje
mineralógico del manto superior (Ringwood, 1975)
ZONAS (cambio de densidad con presión cero)
a)
Litósfera
b)
Astenósfera (fusión parcial)
c)
Región sólida de fases olivino-piroxeno
d)
Región sólida de transformación piroxeno--granate/olivino----estructura β
e)
Región sólida de transformación granate---perovskita/ estructura β ----espinela
f) y g) Región sólida de transformación de
espinela----MgO (estruc. halita) + perovskita/
granate----ilmenita
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA
Observación directa (minas y perforaciones profundas) → La temperatura aumenta con la
profundidad
La velocidad de incremento varía de sitio a sitio, pero en la corteza se ha podido establecer
un gradiente geotérmico entre 10 a 50ºC /km, con un promedio de 30ºC/km
A partir del gradiente geotérmico y la conductividad de las rocas, se ha podido estimar que el
flujo de calor promedio hacia la superficie es de 1,5 µcal/cm2seg
Provincia
Flujo de calor
µcal/cm2seg
Roca ígnea
Calor total producido
(erg/g.año)
Cuencas oceánicas
1,28
Granitos
235
Ridges oceánicos
1,82
Ácidas
275
Escudos Precambrico
0,92
Intermedias
108
Orógenos CZ y MZ
1,92
Basaltos
72
Áreas volcánicas
2,16
Dunitas
0,87
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?
K, U, Th
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?
TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA
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COMENTARIOS
PREGUNTAS
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
Espesores aproximados
Corteza (5 a 70 km)
•Continental (20-70 km)
•Oceánica (5-10 km)
Litósfera (100 a 300 km)
Astenósfera (350 a 500 km)
Manto (2855 km)
•Manto superior (365 km)
•Zona de transición (600 km)
•Manto inferior (1900km)
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
CORTEZA
Esquema de la Corteza Terrestre (modelo de capas “heterogéneas”)
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo de composición
pirolírica del manto
superior
(Ringwood,
1975)
Modelo
teórico
que
postula
que
la
composición del manto
superior es de 1 parte de
composición
basáltica
toleítica y 3 partes de
composición dunítica, en
un material que se
denomino PIROLITA.
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo de composición pirolírica del manto superior (Ringwood, 1975)
Según el modelo de Ringwood, la fusión fraccionada del material pirolítico produce
el magma basáltico. La mineralogía de la pirolita varía según la presión y
temperatura, dando el siguiente esquema de ensamblaje mineralógico (de más
“somero” a más profundo):
a) Olivino + anfibol → “anfolita” (corteza oceánica)
b) Olivino + piroxeno (pobre en Al) + plagioclasa → “pirolita plagioclásica”
c) Olivino + piroxeno (rico en Al) + espinela → “pirolita piroxénica”
d) Olivino + piroxeno (pobre en Al) + granate → “pirolita granatífera”
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo de diferenciación del material pirolítico en arcos de islas (Ringwood, 1975)
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Secuencias ofiolíticas
Complejo de rocas ígneas máficas y
ultramáficas
constituido por la
intercalación de capas (idealizado) de
basaltos (superior), gabros (intermedio)
y peridotitas (inferior). Se interpreta
como trozos de
litosfera oceánica
(corteza oceánica y parte del manto
superior), obducidos en la corteza
continental por procesos orogenéticos.
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo composicional del manto
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo composicional del manto
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo composicional del manto
Se puede asumir un modelo
condrítico para el manto
Terrestre?
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo composicional del manto
Se puede asumir un modelo
condrítico para el manto
Terrestre?
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura Interna de la Tierra
MANTO
Modelo composicional del manto
Se puede asumir un modelo
condrítico para el manto
Terrestre?
La preservación de un modelo condritico
implica un reservorio enriquecido “oculto”
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura zonal de la Tierra
Estructura de la Tierra
Nombre
Características químicas
Características físicas
Atmósfera
O2, N2, H2O, gases inertes
Gaseoso
Biósfera
H2O, sustancias orgánicas y
material esqueletal
Sólido, líquido y coloidal
Hidrósfera
Agua “dulce” y “salada”,
nieve y hielo
Líquido (y en partes, sólido)
Corteza
Rocas silicatadas normales
Sólido
Manto
Material silicatado ultramáfico Sólido (una región viscoplástica)
(olivino, piroxeno y sus
equivalentes de alta presión y
temperatura)
Núcleo
Aleación Fe-Ni
Parte externa líquida y parte
interna sólida
Tabla tomada de Mason & Moore (1984)
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Estructura zonal de la Tierra
Espesor-porcentaje de masa y volumen de las capas de la Tierra
Nombre
Espesor (km)
% masa
% volumen
Atmósfera
-
0,00009
-
Hidrósfera
3,8
0,024
0,12
Corteza
17
0,4
0,74
Manto
2883
67,2
83,01
Núcleo
3471
32,4
16,15
Tabla tomada de Mason & Moore (1984)
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COMENTARIOS
PREGUNTAS
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Distribución de las rocas en la corteza terrestre
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Composición promedio (%) de algunos tipos de rocas ígneas
Oxido
Granito
Granodiorita
Gabro
Rocas ígneas promedio*
SiO2
72.08
66.15
48.36
60.18
TiO2
0.37
0.62
1.32
1.06
Al2O3
13.89
15.56
16.84
15.61
Fe2O3
0.86
1.36
2.55
3.14
FeO
1.67
3.42
7.92
3.88
MnO
0.06
0.08
0.18
no reportado
MgO
0.52
1.94
8.06
3.56
CaO
1.33
4.65
11.07
5.17
Na2O
3.08
3.90
2.26
3.91
K2O
5.46
1.42
0.56
3.19
H2O
0.53
0.69
0.64
no reportado
P2O5
0.18
0.21
0.24
0.30
datos tomados de Nockolds (1954)
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*datos tomados de 5159 análisis : Clarke y Washington (1924)
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Goldschmidt sugiere que al analizar muestras promedios que se encuentren
ampliamente distribuidas en la superficie terrestre, es posible asociarla con una
composición promedio de la corteza. Él trabajó con sedimentos glaciares (arcillas)
¿Por qué?
Oxido
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77 muestras de sedimentos glaciares
SiO2
59.12
TiO2
0.79
Al2O3
15.82
Fe2O3
6.99
FeO
↑
MgO
3.30
CaO
3.07
Na2O
2.05
K2O
3.93
H2O
3.02
P2O5
0.22
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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Existen otros materiales geológicos de referencia dentro de los cuales destaca el
North American Shale Composite (NASC) y el Post-Archean Australian Shale PAAS)
Oxido
NASC
PAAS
SiO2
64.80
62.80
TiO2
0.70
1.00
Al2O3
16.90
18.90
Fe2O3
5.65
7.22
FeO
↑
↑
MnO
0.06
0.11
MgO
2.86
2.20
CaO
3.63
1.30
Na2O
1.14
1.20
K2O
3.97
3.70
0.13
0.16
H2O
P2O5
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PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Composicionalmente, se ha podido dividir la corteza continental en tres partes:
inferior, media y superior. Para Rudnick y Fountain (1995) la composición en función
de los óxidos mayoritarios es:
Oxido
inferior
media
superior
total
SiO2
52.3
60.6
66.0
59.1
TiO2
0.8
0.7
0.5
0.7
Al2O3
16.6
15.5
15.2
15.8
Fe2O3
8.4
6.4
4.5
6.6
FeO
↑
↑
↑
↑
MnO
0.1
0.1
0.08
0.11
MgO
7.1
3.4
2.2
4.4
CaO
9.4
5.1
4.2
6.4
Na2O
2.6
3.2
3.9
3.2
K2O
0.6
2.0
3.4
1.9
0.1
0.1
0.4
0.2
H2O
P2O5
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Abundancia de los elementos (versus su peso atómico) en la corteza:
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PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Abundancia de elementos químicos mayoritarios en la corteza terrestre
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Corteza terrestre
Algunos términos asociado a la abundancia de los elementos
Elementos mayoritarios: son aquellos que presenta una concentración
mayor a 1 %.
Elementos minoritarios: son aquello elemento que presentan una
concentración entre 1 % y 0,1%
Elementos traza: son aquellos que presentan una concentración menor a
0,1%
Elementos dispersos: elementos que aunque se presentan en cantidades
considerables en la corteza (generalmente minoritarios o traza) nunca
forman fases minerales propias, sino que se encuentran dispersos en
minerales comunes.
Clarke: término que se refiere al porcentaje promedio del elemento en la
corteza. Ejemplo: un clarke de oxigeno es 47; un clarke de Ni es 0,075
Clarke de concentración: factor que muestra la concentración de un
elemento dentro de un depósito o mineral particular. Se calcula por
Xmuestra/Xclarke
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Tierra como un todo
La composición total de la Tierra se encuentra determinada por la composición y
abundancia relativa del Manto (67% masa) y el Núcleo (32 % masa).
En este sentido se ha tendido ha asumir un “modelo condrítico” que supone
que:
a) La aleación de hierro en el núcleo posee la composición promedio de
Fe-Ni en los condritos, incluyendo una cantidad de FeS (5.3%).
b) La composición del manto más la corteza es la misma que el promedio
de los materiales oxidados (silicatos, fosfatos, óxidos) presentes en los
condritos.
Sobresimplificación de estos enunciados…
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Tierra como un todo
Elemento
Metálico
Trolilita
Silicato
Total
Fe
24.58
3.37
6.68
34.63
Ni
2.39
2.39
Co
0.13
0.13
S
Prof. Grony Garbán G. (2013)
1.93
1.93
O
29.53
29.53
Si
15.20
15.20
Mg
12.70
12.70
Ca
1.13
1.13
Al
1.09
1.09
Na
0.57
0.57
Cr
0.26
0.26
Mn
0.22
0.22
P
0.10
0.10
K
0.07
0.07
Tomado de Mason &
Moore (1984)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Composición de la Tierra como un todo
Abundancia relativa
de los elementos
Tomado de Mason &
Moore (1984)
Prof. Grony Garbán G. (2013)
Corteza
Tierra total
Meteoritos
Sol
Luna
O
Fe
O
H
O
Si
O
Fe
He
Si
Al
Si
Si
O
Mg
Fe
Mg
Mg
C
Fe
Ca
Ni
S
N
Ca
Na
S
Ni
Si
Al
K
Ca
Ca
Mg
Ni
Mg
Al
Al
Fe
S
Ti
Na
Na
S
Ti
H
Cr
Cr
Al
Cr
P
Mn
Mn
Ca
Na
Mn
Co
P
Ni
P
F
P
Co
Na
Mn
Ba
K
K
Cr
V
COMENTARIOS
PREGUNTAS
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Diferenciación primaria de los elementos
Asumiendo una teoría de formación acrecional y a partir un “modelo condritico”, es
posible explicar una diferenciación “original” de los elementos químicos en la Tierra.
Condritos
Fases o grupos de fases
Fe-Ni
Sulfuros de Fe
Silicatos (Fe-Mg)
Los elementos se distribuyen inicialmente de acuerdo a la afinidad química con la
fase metálica, sulfurada y silicatada en un sistema determinado por el equilibrio FeMg-Si-O-S
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Clasificación Geoquímica de los Elementos
Mediante el estudio de la distribución de elementos en las tres fases (metálica,
sulfurada y silicatada) que constituyen la mayoría de los meteoritos, Goldschmidt
(1923) propone la primera diferenciación geoquímica de los elementos:
Siderófilos: aquellos elementos que muestran afinidad con la fase metálica.
Calcófilos: aquellos elementos que presentan afinidad por la fase sulfurada.
Litófilos: aquellos elementos que presentan afinidad por la fase silicatada.
Atmósfilos: aquellos elemento que presentan afinidad a fases gaseosas
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Clasificación Geoquímica de los Elementos
El carácter geoquímico de los elementos se encuentra fundamentalmente
controlado por su configuración electrónica.
Algunos elemento pueden mostrar afinidad por más de una fase, debido a que esta
distribución se encuentra fuertemente influenciada por la temperatura, la presión y el
ambiente geoquímico de el sistema como un todo.
El Cr es posee un carácter fuertemente litófilo en la corteza terrestre, pero cuando la
fugacidad de oxígeno disminuye drásticamente, adopta un carácter fuertemente
calcófilo.
El carácter siderófilo del Cu, Ni y Zn disminuye cuando aumenta la temperatura,
mientras que aumenta para Mn, Cr, Si, Ta, Nb, Ga y Ti (Corgne et al., 2008)
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Clasificación Geoquímica de los Elementos
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Historia pre geológica de la Tierra
La Tierra posee una edad de formación de 4567 millones de años
Los materiales más antiguos datados en la Tierra poseen una edad de 4470
millones de años (Kleine, Thorsten and Rudge, John F. (2011) Chronometry of Meteorites and the
Formation of the Earth and Moon. ELEMENTS, 7 (1). pp. 41-46)
Las primeras formas de vida poseen una edad entre 2600 a 1900 millones de
años
Se propone como aceptada la teoría de acreción para la formación de la Tierra.
Se postulan dos modelos: Acreción “suave” y Acreción “violenta” (modelo más
aceptado)
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Historia pre geológica de la Tierra
La acreción violenta sugiere el impacto continuo y violento de cuerpos extraterrestre
sobre una protroTierra acrecionada (eón Hadeano). Esto trae como consecuencia la
formación de una zona fundida denominada “Océano de Magmas” similar al sugerido
para la formación de la Luna
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Historia pre geológica de la Tierra
Con el modelo de “Océano de magma” se explica la formación del núcleo terrestre
Leer artículo Wood, B. 2011. The Formation and Differetiation of Earth. Physics Today, 44, No.
12, 40-45.
Prof. Grony Garbán G. (2013)
PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)
TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra
Historia pre geológica de la Tierra
Con el modelo de “Océano de magma” se explica la formación del núcleo terrestre
Prof. Grony Garbán G. (2013)
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