Introducción. El sistema solar se formó hace unos 4.600 millones de años a partir de una nebulosa de gases y polvo cósmico. Inicialmente la nebulosa empezó a girar sobre si misma originando un gigantesco disco protoplanetario, en su centro se acumuló gran parte de la materia, especialmente hidrógeno y helio que al ser tan grande reaccionó y originó una estrella, el Sol. El resto de la materia giraba alrededor del Sol formado distintos anillos, en cada uno de ellos las partículas de gas y polvo cósmico se fueron acumulando formando planetesimales, los cuales al crecer dieron lugar a los actuales planetas del sistema solar.

Inicialmente, debido a la incesante caída de materiales rocosos sobre la Tierra, hicieron que ésta llegara a fundirse, con una temperatura superficial de unos 2.200°C. En su interior los componentes químicos se ordenaron según su densidad; así, los elementos más densos, como el hierro y el níquel, se situaron en el centro de la esfera terrestre, generando el núcleo. Los silicatos de hierro y magnesio se depositaron alrededor del núcleo, formando el manto. Y los elementos menos densos, como los silicatos de calcio y de sodio, se situaron en el exterior, formando la corteza. El conjunto de corteza, manto y núcleo se denomina geosfera terrestre o parte sólida de la Tierra.

Actividades a realizar. Lee las explicaciones sobre el estudio del interior de la Geosfera y realiza el ejercicio "Métodos del estudio de la estructura interna de la Tierra". Luego lee el modelo geoquímico y el modelo geodinámico de la estructura interna de la geosfera terrestre y realiza el ejercicio "Identificar las diferentes capas de la Geosfera 10" y el "Test de respuesta múltiple 10".

1. Capas de la Tierra

En la Tierra se pueden distinguir tres capas concéntricas:

La atmósfera. Es la capa externa gaseosa que envuelve a la Tierra.
La hidrosfera. Es la capa de agua que cubre el 75% de la superficie terrestre, constituye los océanos, las aguas continentales (lagos, ríos, aguas subterráneas) y los glaciares. También incluye el agua que hay en la atmósfera.
La geosfera. Es el cuerpo rocoso que constituye la parte interna de nuestro planeta, está formada por rocas que pueden encontrarse tanto en estado sólido como líquido.

2. El estudio del interior de la Geosfera
Los científicos realizan el estudio de los materiales que componen la geosfera de nuestro planeta mediante métodos de observación directa de los materiales más superficiales y a través de métodos indirectos que permiten deducir la composición y propiedades de los materiales profundos a partir de sus propiedades físico-químicas.

3. Métodos directos

Son los basados en la obervación y análisis de los materiales a los que podemos acceder. Los principales son:

Las perforaciones y las minas. En general se obtiene información a partir de las perforaciones petrolíferas (hasta los 8 km de profundidad), de minas (hasta los 3 km) y de los pozos en busca de agua (hasta 1 km), que al ser muy numerosos aportan gran cantidad de información. La perforación más profunda fue realizada en la península de Kola (Rusia) y llegó hasta los 12.262 metros de profundidad, una distancia muy pequeña si la comparamos con los 6.371 km de profundidad de la Tierra.

Las erupciones volcánicas. Permiten el estudio a partir de la lava expulsada por los volcanes y de los materiales procedentes del interior terrestre que son arrastrados por la lava o expulsados violentamente por los gases.

La erosión. La erosión de las capas más superficiales de las cordilleras montañosas deja al descubierto rocas formadas a mayor profundidad y de mayor antigüedad.

El análisis de los meteoritos. Los meteoritos son los sólidos que han impactado sobre la superficie terrestre. Proceden de sólidos rocosos que viajan por el espacio llamados meteoroides. Estos son fragmentos de unos sólidos rocosos mayores llamados asteroides, que son más pequeños que los protoplanetas y que los planetas, y que, como ellos, también orbitan alrededor del Sol. Otros cuerpos pequeños que orbitan alrededor del Sol son los cometas. Estos se caracterizan por estar formados de hielo y polvo, por lo que al pasar cerca del Sol, una parte se evapora y origina una cola. Los meteoroides que al entrar en la atmósfera terrestre se encienden y se desintegran se denominan meteoros o estrellas fugaces.

Todos estos cuerpos si alcanzan un tamaño cercano a un kilómetro de diámetro se denominan planetesimales, ya que se considera que a partir de la unión de ellos, por la fuerza gravitatoria de acreción, se formaron los planetas. Se supone que todos estos cuerpos se formaron a la vez, es decir hace 4.600 millones de años, por lo que deben presentar los mismos materiales que las diferentes partes de la geosfera terrestre y, por lo tanto, estudiando los meteoritos de mayor densidad, podemos conocer la composición de las regiones más profundas del interior de la Tierra.

Los meteoritos se clasifican en:

• Sideritos o meteoritos de hierro. Están formados por un 80 a 90% de hierro (Fe) y el resto de níquel (Ni). Se supone que esa es la composición del núcleo terrestre.
• Siderolitos o meteoritos de rocas y de hierro. Están formados por silicatos de Mg y Fe y masas metálicas de hierro (Fe) y níquel (Ni). Se supone que esa es la composición del manto.
• Meteoritos rocosos. Son los formados por silicatos de sodio (Na), potasio (K) y calcio (Ca), como la mayor parte de las rocas que constituyen la corteza terrestre.
  

4. Métodos indirectos

Los métodos indirectos son los basados en las propiedades geofísicas de la Tierras y en cómo varían según el punto geográfico que se considere.Los principales son:

Análisis de la gravedad terrestre. La atracción gravitatoria es la fuerza con la que la Tierra atrae los cuerpos hacia ella. Esta fuerza es directamente proporcional a las masas de dichos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Si la Tierra fuera perfectamente esférica y su composición homogénea, la gravedad en cualquier parte del planeta sería siempre la misma. Sin embargo esto no es así, pues la Tierra está formada por diversos tipos de materiales rocosos. Así, en los lugares en los que hay rocas de mayor densidad hay mayor gravedad que en las zonas en las que hay rocas de menor densidad. El estudio de la intensidad gravitatoria ha permitido llegar a las siguientes conclusiones:

• La corteza oceánica presenta una mayor gravedad que la corteza continental. Esto dió la pista para estudiar su composición y se descubrió que la corteza oceánica está constituida por basalto (densidad = 3 g/cm3), mientras que la corteza continental está constituida básicamente por granito (densidad = 2,7 g/cm3).
• En las llanuras la gravedad es mayor que en las montañas. A partir de ello se ha deducido que en las llanuras la corteza, que es una capa de baja densidad, debía ser muy delgada, por lo que el manto, que es una capa de alta densidad, estaba a poca profundidad, mientras que en las montañas, la corteza debe ser muy gruesa, debe formar una raíz que se hunde en el manto, por lo que la fuerza de la gravedad es más baja de lo esperado.

Análisis de la densidad terrestre. Utilizando la formula de cálculo de la fuerza gravitatoria se ha determinado que la masa de la geosfera es de 5,97·10²⁷ g, y utilizando la formula que permite calcular el volumen de una esfera se ha calculado que él volumen de la Tierra es 1,08·10²⁷ cm³, por tanto la densidad total de nuestro planeta es 5,52 g/cm3. Como la densidad de las rocas de la corteza es de entre 2,7 g/cm3 (granito) y 3 g/cm3 (basalto), se ha podido deducir que la densidad del centro de la Tierra debe ser mucho mayor, se ha calculado que es de entre 10 a 12 g/cm3.

Análisis del calor interno. La temperatura de la corteza aumenta por término medio unos 3 ºC cada 100m de profundidad (gradiente geotérmico), pero como a medida que aumenta la profundidad aumenta la presión y ésta hace disminuir el gradiente geotérmico se ha deducido que la temperatura del núcleo solo es de 4.600 ºC y que el núcleo interno debe estar en estado sólido. Por otro lado, se ha visto que el valor del gradiente geotérmico en la corteza terrestre varía mucho de un lugar a otro: en algunas zonas se han llegado a medir gradientes de sólo 1°C cada 100 m, mientras que en otras zonas, denominadas puntos calientes, se han observado aumentos de la temperatura de entre 20 y 80°C cada 100 m. Estas observaciones han permitido deducir que en las zonas de mayor gradiente geotérmico, deben existir corrientes ascendentes de magma muy caliente, como las llamadas plumas térmicas o mantélicas, que en los llamados puntos calientes pueden generar volcanes como pasa en Canarias o en Hawai. Por otro lado las masas de magma caliente ascendente en el manto, que luego se mueven en horizontal y posteriormente se hunden en la zonas de menor gradiente geotérmico, las llamadas corrientes de convecció, constituyen la explicación del movimiento de las placas tectónicas.

Análisis de las ondas sísmicas. La mayor parte de los conocimientos sobre la composición y la estructura de la geosfera se han obtenido a partir del estudio de la propagación de las ondas sísmicas que se originan en el hipocentro o foco del terremoto. Estas ondas son:

• Las ondas primarias u ondas P. Son las más rápidas y como dependen de la compresibilidad del medio pueden atravesar tanto sólidos como líquidos, porque tanto los sólidos como los líquidos se pueden comprimir. También dependen de la rigidez (elasticidad) y de la densidad del medio.
• Las ondas secundarias u ondas S. Son más lentas que las P y no dependen de la compresibilidad del medio, por lo que no pueden atravesar los líquidos. Solo dependen de la rigidez (elasticidad) y de la densidad del medio.
  

Las ondas sísmicas aumentan su velocidad cuando atraviesan materiales más rígidos (elásticos), mientras que la disminuyen al atravesar materiales más densos. Como la rigidez de la geosfera aumenta con la profundidad, la velocidad de las ondas sísmicas también aumenta, salvo cuando pasan a una zona de mucha mayor densidad en la que la velocidad desciende súbitamente. Como los cambios de rigidez son graduales, los cambios de velocidad también son graduales. Por otro lado, debido a la refracción que sucede cuando una onda pasa de un medio a otro de rigidez diferente, la onda sísmica también va variando su dirección, de manera muy parecida a como se refractan las ondas de luz cuando pasan del aire al agua, por lo que la trayectoria de las ondas sísmicas se van curvando hacia la superfície.

Los terremotos que afectan a todo el planeta, generan zonas de sombra, es decir zonas de la corteza a las cuales no llegan. Concretamente las ondas P dejan de percibirse a partir de los 103º respecto al hipocentro y vuelven a detectarse de nuevo a partir de los 142º. Esto ha permitido deducir la existencia de un núcleo de características muy distintas al manto a una profundidad de 2.900 km. Las ondas S también dejan de recibirse a partir de los 103º y, como ya no vuelven a percibirse, revelan que a esa profundidad de 2.900 km el núcleo es fluido, ya que los fluidos son los que no dejan propagarse a las ondas S.

Métodos del estudio de la estructura interna de la Tierra

5. Estructura interna de la geosfera

Gracias al estudio de las capas internas de la geosfera mediante métodos indirectos, especialmente mediante el estudio de la propagación de las ondas sísmicas, se ha podido establecer un modelo de la estructura interna del planeta según la diferente composición química de los materiales y según si su estado es sólido o fluido, es el llamado modelo geoquímico. Atendiendo a la tectónica de placas y a las diferentes densidades y grados de rigidez de los materiales se ha elaborado otro modelo complementario denominado modelo geodinámico o geofísico.

6. Modelo geoquímico

Está basado principalmente en la propagación de las ondas sísmicas al atravesar la geosfera. Se fundamenta en que la velocidad de las ondas sísmicas varía en función de la rigidez (elasticidad), densidad y estado (fluido o sólido) de las diferentes capas. Experimentalmente se ha podido comprobar como las elevadas temperaturas producen la fusión de unos materiales pero no de otros de diferente composición y cómo la presión puede impedir que la temperatura llegue a fundir unos determinados materiales.

Cuando la velocidad de las ondas sísmicas varía bruscamente se dice que ha habido una discontinuidad sísmica. Una discontinuidad sísmica revela que hay un cambio de materiales o un cambio de estado o de ambos. Las discontinuidades reciben el nombre del científico que las observó por primera vez. Las principales discontinuidades son:

• Discontinuidad de Mohorovicic. Consiste en un aumento súbito de la velocidad de las ondas sísmicas que se da a una profundidad de unos 7 kilómetros en la corteza oceánica y de unos 70 kilómetros en la corteza continental. Marca el final de la corteza y el principio del manto. A más profundidad se observa un descenso en la velocidad que se relaciona con un cierto estado fluido.
• Discontinuidad de Repetti. Consiste en un aumento de la velocidad de las ondas sísimicas que se da a 660 km de profundidad. Marca el final del manto superior y el principio del manto inferior. Se debe al paso de una cierta fluidez a un estado casi sólido debido a la presión.
• Discontinuidad de Gutenberg. Consiste en un descenso súbito de la velocidad de las ondas P y en la extinción de las ondas S que se da a 2900 km de profundidad. Marca el final del manto inferior sólido y el inicio del nucleo externo fluido..
• Discontinuidad de Lehman. Consiste en un aumento súbito de la velocidad de las ondas P que se produce a 5.150 km de profundidad. Marca el final del núcleo externo fluido y el principio del núcleo interno sólido.

En base a las discontinuidades anteriores, en el modelo geoquímico se distinguen tres capas: la corteza, el manto y el núcleo, que difieren en su composición química y en su estado. Sus catacterísticas son:

La corteza. Es la capa más superficial y es sólida. Está constituida básicamente por silicatos de Al, Na, K y Ca. Existen dos tipos de corteza:

• Corteza oceánica. Su grosor es de 7 km, constituye el fondo de los océanos y la roca más abundante es el basalto.
• Corteza continental. Su grosor puede llegar hasta los 70 km, constituye las masas continentales, con sus montañas, sus valles y se extiende hasta los taludes continentales. La roca más abundante es el granito.
  

El manto. Es la capa intermedia situada entre la corteza y el núcleo. Está formada principalmente por silicatos de Fe, Mg, Al y Ca y la roca más abundante es la peridotita. Se divide en:

• Manto superior. Se extiende desde la corteza hasta los 660 km de profundidad. Presenta una cierta fluidez.
• Manto inferior. Se extiende desde los 660 km hasta los 2.900 km de profundidad. Presenta estado sólido.

El núcleo. Es la capa interna de la geosfera. Está formada por los elemento metálicos hierro (Fe) y níquel (Ni), por lo que recibe el nombre de NIFE. Se divide en:

• Núcleo externo. Se encuentra entre los 2.900 km y los 5150 km de profundidad y presenta una cierta fluidez.
• Núcleo interno. Se encuentra entre los 5.150 km y el centro de la geosfera (6.371 km) y se encuentra en estado sólido.
  

7. Modelo geodinámico

Está basado en la tectónica de placas y en las diferentes densidades y grados de rigidez de los materiales. Según este modelo, se distinguen las siguientes capas:

Litosfera. Es la capa más superficial, posee un espesor medio de unos 100 km, se comporta como un sólido rígido y se encuentra fracturada en placas tectónicas. Está constituida por la corteza y la parte más externa del manto superior, el denominado manto litosférico o manto residual. Tiene un grosor medio de 100 km, oscilando entre unos pocos kilómetros en los océanos y unos 250 km en los continentes. Se distinguen dos tipos de litosfera:

• Litosfera continental. Está formada por la corteza continental (granito) y el manto litosférico, su espesor medio puede alcanzar los 150 km de los cuales entre 30 y 70 km son de corteza.
• Litosfera oceánica. Está formada por la corteza oceánica (basalto) y el manto litosférico. Su espesor medio es de 30 km de los cuales entre 7 y 10 km son de corteza.

La litosfera se encuentra dividida en fragmentos, que reciben el nombre de placas tectónicas, que flotan y se mueven empujadas por corrientes de magma que se mueven en el interior de la mesosfera. Las fricciones y los choques entre las placas generan terremotos, volcanes y cordilleras montañosas, que presentan gran cantidad de pliegues y fallas.

Mesosfera. Está situada entre la litosfera y el núcleo terrestre o endosfera, llega hasta los 2.900 km de profundidad. Presenta una cierta fluidez en su parte superior que disminuye con la profundidad. Antiguamente se consideróa que su parte superior fluida, hasta unos 350 km de profundidad, constituia una capa distinta, a la que se denominó Astenosfera, pero posteriormente se vió que no era contínua y que seguramente la cierta fluidez de la parte superior de la mesosfera era suficiente para posibilitar el movimiento de las placas, por lo que se abandonó esa hipótesis.

En la base de la mesosfera encuentra la capa D'', de unos 300km de espesor y que es discontínua. En algunos puntos de ella ella se calientan inmensas masas de materiales del manto que ascienden, las llamadas plumas térmicas, y al llegar a la litosfera, en los llamados puntos calientes, como son las islas de Canarias y de Hawai, generan una gran actividad volcánica. Se considera que en la capa D" también se generan las llamadas corrientes de convección magmática capaces de desplazar las placas tectónicas. Se ha propuesto que la energía calorifica de la capa D" procede del calor que se desprende en algunos puntos superiores del núcleo externo, en los que cristaliza hierro líquido, cambio de estado que desprende calor.

Endosfera o núcleo. Se sitúa entre la mesosfera y el centro de la Tierra. En ella se pueden distinguir dos partes:

• Núcleo externo. Llega hasta los 5.150 km de profundidad. Es una capa parcialmente fundida de comportamiento fluido.
• Núcleo interno. Ocupa la parte central de nuestro planeta. Se comporta como un rígido.

Identificar las diferentes capas de la Geosfera 10

Crucigrama 10

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