Geología: Estructura, Historia y Métodos de Estudio de la Tierra

Geología

Geología: parte de las ciencias de la Tierra que se ocupa del conocimiento de la estructura, composición y evolución de la Tierra. Estudia la parte sólida de la Tierra (geosfera), que interactúa con las partes fluidas (atmósfera, hidrosfera) y con la biosfera, formando el sistema Tierra.

Ramas de la investigación geológica

Investigación pura: conocimiento de fenómenos, hipótesis y teorías.

Investigación aplicada: búsqueda de recursos (minerales y agua), ordenación del territorio, prevención de riesgos naturales, y protección y conservación del patrimonio natural y cultural.

Estructura e historia del Universo

Estructura del Sistema Solar

La Tierra es parte del Sistema Solar, compuesto por planetas, satélites, asteroides, cometas... que rodean al Sol. El sistema se formó hace unos 4500 millones de años, después de muchas generaciones de estrellas que habían nacido y muerto.

Evolución del Sistema Solar: planetesimales

El Sistema Solar surgió de una nube fría de gas y polvo indiferenciado que giraba lentamente contrayéndose. La contracción la hacía calentarse y aplanarse hasta tener forma de disco.

• La masa principal se concentró en el centro del disco y, cuando la temperatura alcanzó el valor necesario, se formó el Sol.
• Las partículas más alejadas y frías se agregaron en pequeñas masas llamadas planetesimales. La mayoría se fragmentaron al colisionar.
• El resto se unieron para formar:
  • Planetas: los mayores, que capturaron con su fuerza de gravedad a los más pequeños.
  • Asteroides: la mayoría en órbita entre Marte y Júpiter.
  • Cometas: situados en la periferia del sistema.

El viento solar (flujo de partículas cargadas con energía) barrió el polvo sobrante del disco y «limpió» el espacio entre planetas y Sol. Los planetas giran en órbitas elípticas alrededor del Sol.

Planetas internos y externos

Planetas internos: Mercurio, Venus, Tierra y Marte son rocosos. En ellos se concentraron los materiales más pesados, porque el viento solar arrastró y retiró los elementos más ligeros.

Planetas externos: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno son planetas gaseosos, con un núcleo sólido rodeado de gran cantidad de gases fríos en el exterior y algo más cálidos en el interior (por contracción gravitacional).

Origen de la estructura terrestre

La Tierra primigenia estaba formada por una mezcla homogénea de hierro, silicio, oxígeno y magnesio. Mediante un proceso de diferenciación se originaron capas concéntricas con distintas composiciones químicas y características físicas, dando lugar a la estructura actual: corteza, manto y núcleo.

Evolución de la atmósfera

• Atmósfera primitiva: no tenía oxígeno, y era rica en CO₂ y vapor de agua.
• Atmósfera actual: disminuye el CO₂, aumentan el nitrógeno y el agua, y aparece el O₂.

Cómo conocer las características internas del planeta

Método directo (geológico)

Se basa en la observación de rocas formadas en profundidad que han subido a la superficie por procesos tectónicos, en el análisis de testigos de rocas obtenidos en sondeos y en la medida de la variación de la temperatura en sondeos o minas.

Método indirecto (geofísico)

Se analiza la Tierra «auscultándola» para conocer las propiedades físico-químicas de los materiales que hay en su interior. Incluye métodos sísmicos y métodos no sísmicos (gravedad, densidad, magnetismo, etc.).

Terremotos y ondas sísmicas

Cuando se produce un terremoto, la energía liberada viaja en forma de ondas sísmicas en todas direcciones a partir del hipocentro (donde se origina). El punto de la superficie situado en la vertical del foco es el epicentro.

Las ondas son detectadas y registradas por sismógrafos, que dibujan las vibraciones causadas. Estas ondas se estudian mediante gráficas llamadas sismogramas.

Tipos de ondas sísmicas

• Ondas P (primarias): son las más rápidas y las primeras en registrarse. Se propagan en sólidos y líquidos.
• Ondas S (secundarias): se registran en segundo lugar porque son más lentas. Viajan por el interior de la Tierra y solo se propagan en sólidos.
• Ondas L (superficiales): son largas, se propagan solo por la superficie a partir del epicentro, son más lentas que las demás y se registran en último lugar. Son las causantes de los mayores destrozos en los terremotos.

Los cambios en la velocidad y dirección de las ondas en el subsuelo reflejan la separación entre dos capas de materiales con propiedades físico-químicas diferentes, denominada discontinuidad.

Discontinuidades

Modelo geoquímico:

• Mohorovičić: separa la corteza del manto (30-70 km).
• Gutenberg: separa el manto del núcleo (2900 km).
• Wiechert-Lehmann: separa el núcleo externo, líquido (por lo que no transmite las ondas S), del núcleo interno (5000-6000 km).

Modelo dinámico: litosfera, astenosfera, mesosfera y endosfera.

Métodos geofísicos de estudio

Método gravimétrico

Mide las anomalías de la gravedad terrestre, que dependen de las densidades de las rocas. El campo gravitatorio terrestre origina una aceleración media a nivel del mar de unos 9,78 m/s², que varía con la altitud y la latitud. Las anomalías se obtienen como diferencia entre el valor calculado teóricamente y el hallado con el gravímetro. Se representan en mapas de isoanomalías, que permiten deducir diferencias en la composición y estructura de los materiales subyacentes.

• Si la gravedad medida menos la teórica es mayor que 0 (anomalía positiva), como ocurre en los océanos, la corteza oceánica es más delgada y las rocas del manto, más densas, se encuentran más cerca de la superficie.
• Si la gravedad medida menos la teórica es menor que 0 (anomalía negativa), como ocurre en las cadenas montañosas, la corteza continental, menos densa, tiene mayor grosor y se hunde más en el manto. Cuanto más alta sea la montaña, más negativo será el número.

La importancia del método es que, en lugares con anomalías gravimétricas positivas, pueden existir indicios de minerales densos (metálicos). Las anomalías negativas indican la existencia de rocas poco densas, como el petróleo.

Estudio de la temperatura

La temperatura aumenta unos 3 °C cada 100 m de profundidad (gradiente geotérmico). Este valor solo se mantiene en los primeros 30-50 km de profundidad; a mayor profundidad, el gradiente geotérmico disminuye. Las temperaturas del manto son superiores a los puntos de fusión de la mayoría de las rocas conocidas, pero el material del manto no está fundido.

Tomografía sísmica

Es el estudio detallado de la velocidad de las ondas sísmicas en cada capa. El incremento de temperatura implica la pérdida de rigidez y la disminución de la velocidad de las ondas. El aumento de la velocidad de las ondas dentro de un mismo nivel en el interior de la Tierra supone una disminución de la temperatura y un aumento de la rigidez.

El gradiente geotérmico no es igual en toda la Tierra:

• Bajo las dorsales oceánicas es mayor que la media terrestre (anomalía geotérmica positiva).
• En las fosas oceánicas es menor (anomalía geotérmica negativa).

Estudio del magnetismo terrestre

La Tierra genera un campo magnético. Se debe a que el núcleo externo (fluido y metálico) está en continuo movimiento y tiene una rotación diferencial respecto al núcleo interno (sólido y metálico). El polo positivo del imán terrestre se sitúa en las proximidades del polo sur geográfico, y viceversa.

El campo magnético terrestre presenta variaciones locales producidas por los materiales que constituyen la corteza. Estas variaciones se denominan anomalías magnéticas:

• Las positivas son producidas por la existencia, en profundidad, de rocas magnéticas.
• Las negativas se deben a la existencia, en profundidad, de rocas amagnéticas.

Estas anomalías se deben a campos magnéticos locales, originados por la presencia de rocas o minerales con propiedades magnéticas.

Estudios paleomagnéticos

Se basan en la suposición de que el magnetismo que presentan los minerales de hierro de ciertas rocas refleja la dirección del campo magnético terrestre en épocas geológicas anteriores (en el momento de la formación de la roca). Se miden con magnetómetros.

En ocasiones se produce una variación de la declinación magnética de 180°, lo que cambia la polaridad. Este fenómeno se denomina inversión de la polaridad.

Estudio de los meteoritos

Los meteoritos son cuerpos sólidos que entran en la órbita de la Tierra. Algunos impactan contra la superficie y otros se desintegran al entrar en la atmósfera (estrellas fugaces). La mayoría proceden del cinturón de asteroides, que gira alrededor del Sol en una órbita situada entre las de Marte y Júpiter.

Podrían ser planetesimales y planetoides que no llegaron a aglomerarse para formar planetas. Si todo el Sistema Solar se formó a la vez, la composición de los meteoritos sería similar a la de los planetesimales que originaron la Tierra.

Tipos de meteoritos

• Acondritas: composición parecida a los basaltos que forman la corteza oceánica y parte de la continental.
• Condritas: similares a las peridotitas que constituyen el manto del planeta.
• Sideritas: se asimilan al núcleo terrestre.
• Siderolitos: composición parecida al núcleo.

Nota: los meteoritos no deben confundirse con las tectitas, rocas terrestres fundidas por el calor producido por el impacto de un meteorito. Los meteoritos tienen mayor valor científico.

Estructura interna de la Tierra

Las ondas sísmicas que atraviesan el planeta cambian su velocidad y dirección porque el interior de la Tierra es heterogéneo. Estas variaciones no dependen del lugar donde se realice el ensayo y son parecidas en todas partes. Los cambios de las ondas indican que nuestro planeta está estructurado en capas concéntricas con distintas propiedades.

Modelo geoquímico

Se basa en la diferente composición química de los materiales terrestres, que influye en la velocidad de propagación de las ondas sísmicas. Las capas son: corteza, discontinuidad de Mohorovičić, manto, discontinuidad de Gutenberg y núcleo.

La corteza

La corteza es la capa más externa y se divide en continental y oceánica.

Corteza continental

Está formada por materiales más densos, de espesor variable y composición heterogénea. Está constituida por rocas ígneas, metamórficas o sedimentarias.

• Niveles superiores: rocas sedimentarias, volcánicas y metamórficas de metamorfismo bajo. Las rocas ígneas plutónicas son ácidas.
• Niveles intermedios: grado de metamorfismo más intenso; rocas ígneas de carácter ácido a intermedio.
• Zonas profundas: rocas intensamente metamorfizadas de naturaleza ígnea y metamórfica.

Corteza oceánica

Está formada por materiales más densos, en una capa fina pero continua, de espesor más o menos constante y composición uniforme.

• Capa de sedimentos: grosor mayor cerca de los continentes, y disminuye cuanto más cerca están de las dorsales.
• Capa de basaltos: se han solidificado al salir por las dorsales oceánicas y forman lavas y diques.
• Gabros: se solidifican al salir de las dorsales oceánicas, pero al haberse solidificado más lentamente, sus minerales están mejor cristalizados.

Estructura horizontal de la corteza

En océanos y áreas continentales emergidas, la corteza está cubierta por agua y forma la corteza continental en sus límites.

Corteza continental emergida:

• Cratones o escudos: áreas de miles de km² tectónicamente estables, que forman extensas penillanuras por la intensa erosión. Están formados por rocas metamórficas antiguas y, a veces, rocas magmáticas.
• Orógenos o cordilleras: zonas más activas de la corteza, con importante actividad tectónica y magmática. Forman relieves más elevados y plegados, formados por rocas sedimentarias o metamórficas más modernas.
• Plataformas intracratónicas: situadas entre los cratones y los orógenos, son depresiones donde se depositan los sedimentos (por ejemplo, la cuenca del Ebro).

Corteza cubierta por agua (océanos):

• Márgenes continentales: continuación de las tierras emergidas, formados por corteza continental aunque estén sumergidos bajo el agua.
  • Plataforma continental: zonas que forman parte del continente pero están sumergidas a poca profundidad, con pendiente suave. En ellas se acumulan sedimentos procedentes de la erosión de los continentes.
  • Talud continental: termina la corteza continental. Desde el extremo de la plataforma hasta el océano profundo, tiene una pendiente acusada con surcos, y pone en contacto la corteza continental y la oceánica.
• Fondos oceánicos:
  • Llanura abisal: fondos oceánicos a unos 4 km de profundidad, con poca cantidad de sedimentos. Existen guyots (islas meseta).
  • Fosa submarina: depresiones largas y profundas de hasta 11 km de profundidad y miles de km de longitud.
  • Dorsal oceánica: accidentes topográficos situados en el centro de los fondos oceánicos. Presentan una depresión central estrecha (rift) por donde salen basaltos del manto superior, lo que provoca la separación de los bloques situados a ambos lados del rift y la expansión de los fondos oceánicos. Las fallas transformantes son fracturas transversales que interrumpen las dorsales.

El manto

Se extiende desde la discontinuidad de Mohorovičić hasta la de Gutenberg. Está formado por rocas básicas que generan rocas peridotíticas. El estudio de las ondas sísmicas muestra uniformidad en sus propiedades, aunque hay variaciones en el gradiente de propagación.

El manto superior y el inferior tienen la misma composición química pero distinta estructura, debido a las diferentes condiciones de presión.

El núcleo

• Interno: en estado sólido, las ondas P se transmiten a mayor velocidad.
• Externo: líquido, no deja pasar las ondas S (entre 3000 y 5000 km de profundidad).

Existe una zona de transición en la que las ondas P incrementan su velocidad al acercarse al núcleo interno sólido.

Modelo dinámico

• Litosfera: capa más superficial del planeta, desde la corteza y parte del manto superior. Tiene naturaleza rígida y está fracturada en placas litosféricas con forma de casquetes.
• Astenosfera: bajo la litosfera, el manto está parcialmente fundido, por lo que la propagación de las ondas sísmicas es más lenta. Se forma a partir de penachos calientes que ascienden a través del manto. Su existencia es discutida.
• Mesosfera: parte del manto que se extiende por debajo de la astenosfera hasta unos 3000 km de profundidad. Los materiales están en estado sólido. Se forman células convectivas por el ascenso de penachos calientes desde el límite con el núcleo y por el descenso de fragmentos de litosfera fría que se introducen en las zonas de subducción profunda. El límite manto-núcleo es la discontinuidad de Gutenberg.
• Endosfera: núcleo externo, material fundido que gira a distinta velocidad que el núcleo interno (sólido y metálico), lo que genera el campo magnético terrestre.