1.3: La Tierra Sólida

FORMACIÓN Y ESTRUCTURA DE LA TIERRA

La tierra se formó hace aproximadamente 4.6 mil millones de años a partir de una nube nebular de polvo y gas que rodeaba al sol. A medida que el gas se enfriaba, se formaron más sólidos. El material polvoriento se acumuló al plano medio nebular donde formó grumos progresivamente más grandes. Finalmente, se formaron cuerpos de varios kilómetros de diámetro; estos se conocen como planetesimales. Los planetesimales más grandes crecieron más rápido, a expensas de los más pequeños. Este proceso continuó hasta que se formó un planeta del tamaño de la tierra.

Al principio de su formación, la tierra debió haberse fundido completamente. La principal fuente de calor en ese momento era probablemente la desintegración de elementos radiactivos naturales. A medida que la tierra se enfriaba, las diferencias de densidad entre los minerales formadores provocaron que el interior se diferenciara en tres zonas concéntricas: la corteza, el manto y el núcleo. La corteza se extiende hacia abajo desde la superficie hasta una profundidad promedio de 35 km donde comienza el manto. El manto se extiende hasta una profundidad de 2900 km donde comienza el núcleo. El núcleo se extiende hasta el centro de la tierra, a una profundidad de aproximadamente 6400 km de la superficie.

El núcleo constituye el 16 por ciento del volumen de la tierra y alrededor del 31 por ciento de la masa. Se puede dividir en dos regiones: un núcleo interno sólido y un núcleo externo líquido. El núcleo interno es probablemente en su mayoría hierro metálico aleado con una pequeña cantidad de níquel, ya que su densidad es algo mayor que la del hierro metálico puro. El núcleo externo es similar en composición, pero probablemente también contiene pequeñas cantidades de elementos más ligeros, como azufre y oxígeno, debido a que su densidad es ligeramente menor que la del hierro metálico puro. La presencia de los elementos más ligeros deprime el punto de congelación y es probablemente responsable del estado líquido del núcleo externo.

El manto es la capa más grande de la tierra, constituyendo alrededor del 82 por ciento del volumen y el 68 por ciento de la masa de la tierra. El manto está dominado por minerales ricos en magnesio y hierro (máfic). El calor del núcleo de la tierra es transportado a la región cortical por convección a gran escala en el manto. Cerca de la parte superior del manto se encuentra una región de roca parcialmente derretida llamada astenosfera. Numerosas corrientes de convección a pequeña escala ocurren aquí cuando el magma caliente (es decir, roca fundida) se eleva y el magma más frío se hunde debido a las diferencias de densidad.

La corteza es la capa más delgada de la tierra, constituyendo sólo el 1 por ciento de la masa y el 2 por ciento del volumen. En relación con el resto de la tierra, la corteza es rica en elementos como silicio, aluminio, calcio, sodio y potasio. Los materiales de la corteza son muy diversos, consistentes en más de 2000 minerales. La corteza menos densa flota sobre el manto en dos formas: la corteza continental y la corteza oceánica. La corteza oceánica, que contiene más minerales máficos, es más delgada y densa que la corteza continental que contiene minerales más ricos en silicio y aluminio. La gruesa corteza continental tiene raíces profundas de flotación que ayudan a soportar las elevaciones más altas arriba. La corteza contiene los recursos minerales y los combustibles fósiles utilizados por los humanos.

ESCALA DE TIEMPO GEOLÓGICO

Para describir las relaciones temporales entre las formaciones rocosas y los fósiles, los científicos desarrollaron una escala de tiempo geológica relativa en la que la historia de la tierra se divide y subdivide en divisiones de tiempo. Los tres eones (fanerozoico, proterozoico y arcaico) representan las divisiones de tiempo más grandes (medidas en miles de millones de años). A su vez se subdividen en Eras, Períodos y Épocas. Las principales discontinuidades en el registro geológico y en el registro biológico (fósil) correspondiente se eligen como líneas límite entre los diferentes segmentos de tiempo. Por ejemplo, el límite Cretácico-Terciario (hace 65 millones de años) marca una repentina extinción masiva de especies, incluidos los dinosaurios. Mediante el uso de técnicas cuantitativas modernas, Algunas rocas y materia orgánica se pueden fechar con precisión utilizando la desintegración de isótopos radiactivos naturales.. Por lo tanto, las edades absolutas pueden asignarse a algunas partes de la escala de tiempo geológico.

LA LITOSFERA Y LA TECTÓNICA DE PLACAS

La capa del manto sobre la astenosfera más toda la corteza conforman una región llamada litosfera. La litosfera, y por tanto, la corteza terrestre, no es un caparazón continuo, sino que se rompe en una serie de placas que independientemente “flotan” sobre la astenosfera, como una balsa en el océano. Estas placas están en constante movimiento, normalmente moviéndose unos centímetros al año, y son impulsadas por convección en el manto. La teoría científica que describe este fenómeno se llama tectónica de placas. Según la teoría de la tectónica de placas, la litosfera está compuesta por unas siete placas mayores y varias más pequeñas. Debido a que estas placas están en constante movimiento, las interacciones ocurren donde los límites de las placas se encuentran.

Un límite de placa convergente (colisionante) ocurre cuando dos placas colisionan. Si el límite convergente involucra dos placas continentales, la corteza se comprime en cordilleras altas como el Himalaya. Si una placa oceánica y una placa continental chocan, la corteza oceánica (porque es más densa) se subduce bajo la corteza continental. La región donde se lleva a cabo la subducción se denomina zona de subducción y generalmente resulta en una zanja oceánica profunda como la “Fosa de las Marianas” en el océano Pacífico occidental. La corteza subducida se derrite y el magma resultante puede elevarse a la superficie y formar un volcán. Un límite de placa divergente ocurre cuando dos placas se alejan entre sí. La surgencia de magma de la región del manto es forzada a través de las grietas resultantes, formando una nueva costra. La cresta oceánica en el océano Atlántico es una región donde el nuevo material de la corteza se forma continuamente a medida que las placas divergen. Los volcanes también pueden ocurrir en límites divergentes. La isla de Islandia es un ejemplo de tal ocurrencia. Un tercer tipo de límite de placa es el límite de transformación. Esto ocurre cuando dos placas se deslizan una junto a la otra. Esta interacción puede generar tensión en las regiones adyacentes de la corteza, lo que resulta en terremotos cuando se libera la tensión. La falla de San Andrés en California es un ejemplo de un límite de placa de transformación.

PERTURBACIONES GEOLÓGICAS

VOLCANES

Un volcán activo ocurre cuando el magma (roca fundida) alcanza la superficie terrestre a través de una grieta o respiradero en la corteza. La actividad volcánica puede implicar la extrusión de lava en la superficie, la expulsión de roca sólida y ceniza, y la liberación de vapor de agua o gas (dióxido de carbono o dióxido de azufre). Los volcanes suelen ocurrir cerca de los límites de las placas donde el movimiento de las placas ha creado grietas en la litosfera a través de las cuales puede fluir el magma. Alrededor del ochenta por ciento de los volcanes ocurren en los límites de las placas convergentes donde el material subducido se funde y se eleva a través de grietas en la corteza. De esta manera se formó la Gama Cascade.

Los volcanes pueden clasificarse según el tipo y forma de su eyecta. Los tipos básicos son: volcanes compuestos, volcanes escudo, conos de ceniza y cúpulas de lava. Los volcanes compuestos son conos simétricos de lados empinados construidos con múltiples capas de lava viscosa y ceniza. La mayoría de los volcanes compuestos tienen un cráter en la cumbre que contiene el respiradero central. Las lavas fluyen de roturas en la pared del cráter o de grietas en los flancos del cono. El monte Fuji en Japón y el monte Ranier en Washington son ejemplos de volcanes compuestos.

Los volcanes de escudo están construidos casi en su totalidad con flujos de lava altamente fluidos (baja viscosidad). Se forman lentamente a partir de numerosos flujos que se extienden sobre una amplia zona desde un respiradero central. La estructura resultante es un cono ancho, suavemente inclinado, con un perfil similar al escudo de un guerrero. El monte Kilauea en Hawai es un ejemplo de un volcán escudo.

Los conos de ceniza son el tipo de volcán más simple. Se forman cuando la lava soplada violentamente en la zona se rompe en pequeños fragmentos que se solidifican y caen como cenizas. Se forma una forma de cono de lados empinados alrededor del respiradero, con un cráter en la cumbre. Sunset Crater en Arizona es un cono de ceniza que se formó hace menos de mil años, interrumpiendo la vida de los habitantes nativos de la región.

Las cúpulas de lava se forman cuando la lava altamente viscosa se extruye de un respiradero y forma una cúpula redondeada de lados empinados. La lava se amontona alrededor y sobre el respiradero en lugar de fluir, creciendo principalmente por expansión desde dentro. Las cúpulas de lava ocurren comúnmente dentro de los cráteres o en los flancos de volcanes compuestos.

SISMOS

Un sismo ocurre cuando la tensión acumulada en una masa rocosa hace que se rompa repentinamente. La región donde ocurre la ruptura se llama foco. Esto suele estar muy por debajo de la superficie de la corteza. El punto en la superficie directamente encima del foco se llama epicentro. Las ondas destructivas se propagan hacia afuera desde la región del sismo, viajando por toda la tierra. La magnitud de un sismo es una medida de la cantidad total de energía liberada. El primer paso para determinar la magnitud es medir las ondas propagadas utilizando un dispositivo llamado sismógrafo. Con base en esta información, el sismo recibe una clasificación numérica en una escala de Richter modificada. La escala es logarítmica, por lo que una diferencia de una unidad significa una diferencia de diez veces en la intensidad de onda, lo que corresponde a una diferencia de energía de 32 veces. La intensidad de un sismo es un indicador del efecto de un sismo en un lugar determinado. El efecto depende no sólo de la magnitud del sismo, sino también de los tipos de materiales subterráneos y de la estructura y diseño de las estructuras superficiales.

Los terremotos generalmente ocurren a lo largo de roturas en la masa rocosa conocidas como fallas, y la mayoría ocurren en regiones cercanas a los límites de placas Alrededor del 80 por ciento de todos los sismos ocurren cerca de los límites convergentes de las placas, desencadenados por la interacción de las placas. Los sismos también suelen estar asociados con la actividad volcánica debido al movimiento del magma subsuperficial. Cuando ocurre un terremoto bajo el océano, puede desencadenar un maremoto destructivo conocido como tsunami.

ROCAS Y EL CICLO DE LAS ROCAS

La corteza terrestre está compuesta por muchos tipos de rocas, cada una de las cuales está compuesta por uno o más minerales. Las rocas se pueden clasificar en tres grupos básicos: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Las rocas ígneas son el tipo de roca más común que se encuentra en la corteza terrestre. Se forman cuando el magma se enfría y cristaliza el subsuelo (rocas ígneas intrusivas) o la lava se enfría y cristaliza en la superficie (rocas ígneas extrusivas). El granito es un ejemplo de roca ígnea intrusiva, mientras que el basalto es una roca ígnea extrusiva.

Las rocas sedimentarias se forman por la consolidación de los fragmentos desgastados de rocas preexistentes, por la precipitación de minerales de la solución, o por compactación de los restos de organismos vivos. Los procesos que involucran fragmentos de roca meteorizados incluyen erosión y transporte por viento, agua o hielo, seguido de deposición como sedimentos. A medida que los sedimentos se acumulan con el tiempo, los del fondo se compactan. Están cementados por minerales precipitados de la solución y se convierten en rocas.

El proceso de compactación y cementación se conoce como litificación. Algunos tipos comunes de rocas sedimentarias son la piedra caliza, esquisto y arenisca. El yeso representa una roca sedimentaria precipitada de la solución. Los combustibles fósiles como el carbón y el esquisto bituminoso son rocas sedimentarias formadas a partir de materia orgánica.

Las rocas metamórficas se forman cuando las rocas sólidas ígneas, sedimentarias o metamórficas cambian en respuesta a temperaturas y presiones elevadas y/o fluidos químicamente activos. Esta alteración suele ocurrir en el subsuelo. Puede implicar un cambio en la textura (recristalización), un cambio en la mineralogía o ambos. El mármol es una forma metamorfoseada de piedra caliza, mientras que la pizarra es pizarra transformada. La antracita es una forma metamórfica de carbón.

El ciclo de las rocas ilustra las conexiones entre los procesos internos y externos de la tierra y cómo los tres grupos básicos de rocas están relacionados entre sí. Los procesos internos incluyen fusión y metamorfismo debido a temperaturas y presiones elevadas. Las corrientes convectivas en el manto mantienen la corteza en constante movimiento (tectónica de placas). Las rocas enterradas se llevan a la superficie (elevación), y las rocas superficiales y los sedimentos se transportan a la región del manto superior (subducción).

Dos procesos externos importantes en el ciclo de las rocas son la meteorización y la erosión. La meteorización es el proceso por el cual los materiales rocosos se descomponen en trozos más pequeños y/o se cambian químicamente. Una vez que los materiales rocosos se descomponen en trozos más pequeños, pueden transportarse a otro lugar en un proceso llamado erosión. El principal vehículo de erosión es mover el agua, pero el viento y los glaciares también pueden erosionar la roca.

FORMACIÓN DE SUELO

El suelo es uno de los recursos más preciosos y delicados de la tierra. Su formación implica la meteorización de materiales parentales (por ejemplo, rocas) y actividad biológica. El suelo tiene cuatro componentes principales: agua, material parental inorgánico erosionado, aire y materia orgánica (por ejemplo, organismos vivos y en descomposición).

La formación del suelo comienza con materiales no consolidados que son producto de la intemperie. Estos materiales pueden ser transportados a la ubicación de la formación del suelo por procesos como el viento o el agua, o pueden ser el resultado de la meteorización del lecho rocoso subyacente. El proceso de meteorización implica la desintegración y descomposición de la roca. Puede ser físico (por ejemplo, agua que se filtra en las grietas de las rocas y luego se congela) o química (por ejemplo, disolución de minerales por lluvia ácida). Los procesos físicos son más prevalentes en climas fríos y secos, mientras que los procesos químicos son más prevalentes en climas cálidos o húmedos.

Los materiales del suelo tienden a moverse verticalmente en el ambiente de formación. Se pueden agregar materiales orgánicos (por ejemplo, hojarasca) y sedimentos, mientras que otros materiales (por ejemplo, minerales) pueden perderse debido a la erosión y lixiviación. Los organismos vivos (por ejemplo, bacterias, hongos, gusanos e insectos) también se incorporan al suelo en desarrollo.

El componente vivo del suelo descompone otros materiales orgánicos para liberar sus nutrientes (por ejemplo, nitrógeno, potasio y fósforo). Los nutrientes son luego utilizados y reciclados por el cultivo de plantas y otros organismos. Este reciclaje de nutrientes ayuda a crear y mantener un suelo viable.

Varios factores influyen en la formación del suelo, incluyendo: clima, material parental, organismos biológicos, topografía y tiempo. El clima de una zona (precipitación y temperatura) puede ser el factor más importante en la formación del suelo. La temperatura afecta las tasas de reacciones químicas y la lluvia afecta el pH del suelo y la lixiviación. El material madre o lecho rocoso varía de una región a otra y puede afectar la textura y el pH de los suelos. El tipo de vegetación afecta la velocidad a la que se reciclan los nutrientes en el suelo, el tipo y cantidad de materia orgánica en el suelo, la erosión del suelo y los tipos y números de microorganismos que viven en el suelo.

Los humanos también pueden tener un profundo efecto en los suelos a través de actividades como el arado, el riego y la minería. La topografía de una región afecta la escorrentía pluvial, la erosión y la ingesta de energía solar. La formación del suelo es un proceso continuo. Los suelos cambian con el tiempo a medida que cambian factores como el aporte de materia orgánica y el contenido mineral. El proceso de hacer un suelo adecuado para ser utilizado por humanos puede llevar decenas de miles de años. Desafortunadamente, la destrucción de ese suelo puede ocurrir en pocas generaciones cortas.