8.2: Corteza terrestre
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Denotar los tipos primarios de roca que constituyen la corteza terrestre
- Explicar la teoría de la tectónica de placas
- Describir la diferencia entre las zonas de grieta y subducción
- Describir la relación entre zonas de falla y construcción de montaña
- Explicar los diversos tipos de actividad volcánica que ocurren en la Tierra
Examinemos ahora con más detalle las capas exteriores de nuestro planeta. La corteza terrestre es un lugar dinámico. Las erupciones volcánicas, la erosión y los movimientos a gran escala de los continentes reelaboran constantemente la superficie de nuestro planeta. Geológicamente, el nuestro es el planeta más activo. Muchos de los procesos geológicos descritos en esta sección también han tenido lugar en otros planetas, pero generalmente en sus pasados distantes. Algunas de las lunas de los planetas gigantes también tienen niveles de actividad impresionantes. Por ejemplo, la luna Io de Júpiter tiene un número notable de volcanes activos.
Composición de la corteza
La corteza terrestre está compuesta principalmente por basalto oceánico y granito continental. Estas son ambas rocas ígneas, término utilizado para cualquier roca que se haya enfriado desde un estado fundido. Toda la roca producida volcánicamente es ígnea (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Otros dos tipos de rocas nos son familiares en la Tierra, aunque resulta que ninguna es común en otros planetas. Las rocas sedimentarias están hechas de fragmentos de roca ígnea o las conchas de organismos vivos depositados por el viento o el agua y cementados juntos sin derretirse. En la Tierra, estas rocas incluyen las areniscas comunes, lutitas y calizas. Las rocas metamórficas se producen cuando la alta temperatura o presión altera física o químicamente la roca ígnea o sedimentaria (la palabra metamórfica significa “cambiado de forma”). Las rocas metamórficas se producen en la Tierra porque la actividad geológica lleva las rocas superficiales a profundidades considerables y luego las lleva de regreso a la superficie. Sin tal actividad, estas rocas cambiadas no existirían en la superficie.
Existe una cuarta categoría muy importante de roca que puede decirnos mucho sobre la historia temprana del sistema planetario: la roca primitiva, que en gran parte ha escapado a la modificación química por calentamiento. La roca primitiva representa el material original con el que se hizo el sistema planetario. No queda material primitivo en la Tierra porque todo el planeta se calentó al principio de su historia. Para encontrar rocas primitivas, debemos mirar a objetos más pequeños como cometas, asteroides y pequeñas lunas planetarias. A veces podemos ver rocas primitivas en muestras que caen a la Tierra a partir de estos objetos más pequeños.
Un bloque de cuarcita en la Tierra está compuesto por materiales que han pasado por los cuatro estados. Comenzando como material primitivo antes de que naciera la Tierra, se calentó a principios de la Tierra para formar roca ígnea, se transformó químicamente y se redepositó (quizás muchas veces) para formar roca sedimentaria, y finalmente cambió varios kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra en la piedra metamórfica dura y blanca que vemos hoy en día.
Tectónica de Placas
La geología es el estudio de la corteza terrestre y los procesos que han dado forma a su superficie a lo largo de la historia. (Aunque geo - significa “relacionado con la Tierra”, los astrónomos y los científicos planetarios también hablan sobre la geología de otros planetas). El calor que escapa del interior proporciona energía para la formación de las montañas, valles, volcanes de nuestro planeta e incluso de los continentes y cuencas oceánicas mismas. Pero no hasta mediados del siglo XX los geólogos lograron comprender cómo se crean estos accidentes geográficos.
La tectónica de placas es una teoría que explica cómo los movimientos lentos dentro del manto de la Tierra mueven grandes segmentos de la corteza, lo que resulta en una “deriva” gradual de los continentes así como la formación de montañas y otras características geológicas a gran escala. La tectónica de placas es un concepto tan básico para la geología como la evolución por selección natural lo es para la biología o la gravedad es para comprender las órbitas de los planetas. Mirándolo desde una perspectiva diferente, la tectónica de placas es un mecanismo para que la Tierra transporte el calor de manera eficiente desde el interior, donde se ha acumulado, hacia el espacio. Es un sistema de enfriamiento para el planeta. Todos los planetas desarrollan un proceso de transferencia de calor a medida que evolucionan; los mecanismos pueden diferir de los de la Tierra como resultado de la composición química y otras limitaciones.
La corteza terrestre y el manto superior (a una profundidad de unos 60 kilómetros) se dividen en aproximadamente una docena de placas tectónicas que encajan como las piezas de un rompecabezas (Figura\(\PageIndex{2}\)). En algunos lugares, como el Océano Atlántico, las placas se están separando; en otros, como frente a la costa occidental de Sudamérica, están siendo forzadas juntas. La potencia para mover las placas es proporcionada por la lenta convección del manto, un proceso por el cual el calor escapa del interior a través del flujo ascendente de material más cálido y el lento hundimiento del material más frío. (La convección, en la que la energía se transporta desde una región cálida, como el interior de la Tierra, a una región más fría, como el manto superior, es un proceso que encontramos a menudo en la astronomía, tanto en estrellas como en planetas. También es importante en el agua hirviendo para el café mientras se estudia para los exámenes de astronomía.)
El Servicio Geológico de Estados Unidos proporciona un mapa de sismos recientes y muestra los límites de las placas tectónicas y dónde ocurren los sismos en relación con estos límites. Puedes mirar de cerca a Estados Unidos o alejarte para obtener una visión global.
A medida que las placas se mueven lentamente, chocan entre sí y provocan cambios dramáticos en la corteza terrestre con el tiempo. Cuatro tipos básicos de interacciones entre las placas corticales son posibles en sus límites: (1) pueden separarse, (2) un plato puede excavar debajo de otro, (3) pueden deslizarse uno al lado del otro, o (4) pueden atascarse juntos. Cada una de estas actividades es importante para determinar la geología de la Tierra.
alfred wegner: atrapando la deriva de la tectónica de placas
Al estudiar mapas o globos de la Tierra, muchos estudiantes notan que la costa de América del Norte y del Sur, con solo ajustes menores, podría encajar bastante bien contra la costa de Europa y África. Parece como si estas grandes masas de tierra alguna vez pudieran haber estado juntas y luego de alguna manera fueron destrozadas. La misma idea se le había ocurrido a otros (entre ellos Francis Bacon ya en 1620), pero no hasta el siglo XX tal propuesta podría ser más que especulación. El científico que defendió la deriva continental en 1920 fue un meteorólogo y astrónomo alemán llamado Alfred Wegener (Figura).
Nacido en Berlín en 1880, Wegener estuvo, desde muy temprana edad, fascinado por Groenlandia, la isla más grande del mundo, que soñaba con explorar. Estudió en las universidades de Heidelberg, Innsbruck y Berlín, recibiendo un doctorado en astronomía al reexaminar las tablas astronómicas del siglo XIII. Pero, sus intereses se volvieron cada vez más hacia la Tierra, particularmente su clima. Realizó experimentos con cometas y globos, llegando a ser tan consumado que él y su hermano establecieron un récord mundial en 1906 al volar durante 52 horas en un globo.
Wegener concibió por primera vez la deriva continental en 1910 mientras examinaba un mapa del mundo en un atlas, pero le tomó 2 años reunir datos suficientes para proponer la idea en público. Publicó los resultados en forma de libro en 1915. La evidencia de Wegener fue mucho más allá de la congruencia en las formas de los continentes. Propuso que las similitudes entre los fósiles encontrados sólo en América del Sur y África indicaron que estos dos continentes se unieron a la vez. También demostró que las semejanzas entre especies animales vivas en diferentes continentes podrían explicarse mejor asumiendo que los continentes alguna vez estuvieron conectados en un supercontinente al que llamó Pangea (de los elementos griegos que significa “toda tierra”).
La sugerencia de Wegener fue recibida con una reacción hostil de la mayoría de los científicos. A pesar de que había reunido una impresionante lista de argumentos para su hipótesis, le faltaba un mecanismo. Nadie podría explicar cómo los continentes sólidos podrían derivar a lo largo de miles de kilómetros. Algunos científicos quedaron lo suficientemente impresionados por el trabajo de Wegener como para continuar buscando evidencia adicional, pero muchos encontraron que la noción de mover continentes era demasiado revolucionaria para tomarla en serio. Desarrollar una comprensión del mecanismo (tectónica de placas) requeriría décadas de avances adicionales en geología, oceanografía y geofísica.
Wegener se sintió decepcionado por la recepción de su sugerencia, pero continuó su investigación y, en 1924, fue nombrado para una cátedra especial de meteorología y geofísica creada especialmente para él en la Universidad de Graz (donde fue, sin embargo, condenado al ostracismo por la mayor parte de la facultad de geología). Cuatro años después, en su cuarta expedición a su amada Groenlandia, celebró su 50 cumpleaños con colegas y luego partió a pie hacia un campamento diferente en la isla. Nunca lo logró; fue encontrado pocos días después, muerto de un aparente ataque al corazón.
Los críticos de la ciencia a menudo señalan la resistencia a la hipótesis de la deriva continental como un ejemplo de la manera defectuosa en que los científicos consideran las nuevas ideas. (Muchas personas que han avanzado teorías chifladas han afirmado que están siendo ridiculizadas injustamente, tal como lo fue Wegener). Pero pensamos que hay una luz más positiva en la que ver la historia de la sugerencia de Wegener. Los científicos en su época mantuvieron una actitud escéptica porque necesitaban más evidencia y un mecanismo claro que se ajustara a lo que entendían sobre la naturaleza. Una vez que la evidencia y el mecanismo fueron claros, la hipótesis de Wegener rápidamente se convirtió en la pieza central de nuestra visión de una Tierra dinámica.
Vea cómo la deriva de los continentes ha cambiado la apariencia de la corteza de nuestro planeta.
Zonas de Grieta y Subducción
Las placas se separan entre sí a lo largo de las zonas de grieta, como la cresta del Atlántico Medio, impulsadas por corrientes ascendentes en el manto (Figura\(\PageIndex{4}\)). Algunas zonas de grieta se encuentran en tierra. La más conocida es la grieta centroafricana, una zona donde el continente africano se está desmoronando lentamente. La mayoría de las zonas de grieta, sin embargo, están en los océanos. La roca fundida se eleva desde abajo para llenar el espacio entre las placas que retroceden; esta roca es la lava basáltica, el tipo de roca ígnea que forma la mayoría de las cuencas oceánicas.
A partir de un conocimiento de cómo se está extendiendo el fondo marino, podemos calcular la edad promedio de la corteza oceánica. Se han identificado cerca de 60,000 kilómetros de grietas activas, con tasas de separación promedio de alrededor de 5 centímetros por año. La nueva área que se agrega a la Tierra cada año es de aproximadamente 2 kilómetros cuadrados, suficiente para renovar toda la corteza oceánica en poco más de 100 millones de años. Se trata de un intervalo muy corto en el tiempo geológico, menos del 3% de la edad de la Tierra. Las actuales cuencas oceánicas resultan así estar entre las características más jóvenes de nuestro planeta.
A medida que se agrega nueva corteza a la Tierra, la vieja corteza debe ir a alguna parte. Cuando dos placas se juntan, una placa suele ser forzada debajo de otra en lo que se llama zona de subducción (Figura\(\PageIndex{4}\)). En general, las gruesas masas continentales no pueden ser subducidas, pero las placas oceánicas más delgadas pueden ser empujadas fácilmente hacia abajo en el manto superior. A menudo, una zona de subducción está marcada por una trinchera oceánica; un buen ejemplo de este tipo de característica es la profunda trinchera japonesa a lo largo de la costa de Asia. La placa subducida es forzada a descender hacia regiones de alta presión y temperatura, fundiendo finalmente varios cientos de kilómetros por debajo de la superficie. Su material se recicla en una corriente de convección que fluye hacia abajo, equilibrando finalmente el flujo de material que se eleva a lo largo de las zonas de grieta. La cantidad de corteza destruida en las zonas de subducción es aproximadamente igual a la cantidad formada en las zonas de grieta.
A lo largo de la zona de subducción, sismos y volcanes marcan la agonía mortal de la placa. Algunos de los sismos más destructivos de la historia han tenido lugar a lo largo de las zonas de subducción, incluyendo el terremoto de Yokohama de 1923 y el incendio que mató a 100 mil personas, el terremoto y tsunami de Sumatra de 2004 que mató a más de 200,000 personas, y el terremoto de Tohoku de 2011 que resultó en la fusión de tres reactores de energía nuclear en Japón.
Zonas de falla y construcción de montaña
A lo largo de gran parte de su longitud, las placas de la corteza se deslizan paralelas entre sí. Estos límites de placa están marcados por grietas o fallas. A lo largo de las zonas de falla activas, el movimiento de una placa con respecto a la otra es de varios centímetros al año, aproximadamente lo mismo que las tasas de dispersión a lo largo de las grietas.
Una de las fallas más famosas es la Falla de San Andrés en California, que se encuentra en el límite entre la placa del Pacífico y la placa norteamericana (Figura\(\PageIndex{5}\)). Esta falla va desde el Golfo de California hasta el Océano Pacífico al noroeste de San Francisco. La placa del Pacífico, al oeste, se mueve hacia el norte, llevando consigo a Los Ángeles, San Diego y partes de la costa sur de California. En varios millones de años, Los Ángeles puede ser una isla frente a la costa de San Francisco.
Desafortunadamente para nosotros, el movimiento a lo largo de las zonas de falla no se realiza sin problemas. El movimiento rastrero de las placas una contra la otra acumula tensiones en la corteza que se liberan en deslizamientos repentinos y violentos que generan sismos. Debido a que el movimiento promedio de las placas es constante, cuanto mayor sea el intervalo entre sismos, mayor será el estrés y más energía liberada cuando la superficie finalmente se mueve.
Por ejemplo, la parte de la falla de San Andreas cerca de la ciudad de Parkfield, en el centro de California, se ha deslizado cada 25 años aproximadamente durante el siglo pasado, moviéndose un promedio de aproximadamente 1 metro cada vez. En contraste, el intervalo promedio entre sismos mayores en la región de Los Ángeles es de aproximadamente 150 años, y el movimiento promedio es de aproximadamente 7 metros. La última vez que la falla de San Andrés se deslizó en esta zona fue en 1857; la tensión se ha ido construyendo desde entonces, y en algún momento pronto está destinada a ser liberada. Los instrumentos sensibles colocados dentro de la cuenca de Los Ángeles muestran que la cuenca se distorsiona y contrae en tamaño a medida que estas tremendas presiones se acumulan debajo de la superficie.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Zonas de falla y movimiento de placa
Después de que los científicos mapearon los límites entre las placas tectónicas en la corteza terrestre y midieron la tasa anual a la que se mueven las placas (que es de unos 5 cm/año), podríamos estimar bastante sobre la velocidad a la que está cambiando la geología de la Tierra. A modo de ejemplo, supongamos que el siguiente deslizamiento a lo largo de la Falla San Andreas en el sur de California tiene lugar en el año 2017 y que alivia por completo la cepa acumulada en esta región. ¿Cuánto deslizamiento se requiere para que esto ocurra?
Solución
La velocidad de movimiento de la placa del Pacífico en relación con la placa norteamericana es de 5 cm/y, es decir, 500 cm (o 5 m) por siglo. El último terremoto del sur de California fue en 1857. El tiempo de 1857 a 2017 es de 160 y, o 1.6 siglos, por lo que el deslizamiento para aliviar completamente la cepa sería de 5 m/siglo × 1.6 siglos = 8.0 m.
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
Si el próximo gran terremoto del sur de California ocurre en 2047 y solo alivia la mitad de la tensión acumulada, ¿cuánto deslizamiento ocurrirá?
- Contestar
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La diferencia en el tiempo de 1857 a 2047 es de 190 y, o 1.9 siglos. Debido a que solo se libera la mitad de la tensión, esto equivale a la mitad de la tasa de movimiento anual. El deslizamiento total llega a 0.5 × 5 m/siglo × 1.9 siglos = 4.75 m.
Cuando dos masas continentales se mueven en curso de colisión, se empujan entre sí bajo una gran presión. La Tierra se enrolla y se pliega, arrastrando algunas rocas profundamente por debajo de la superficie y elevando otros pliegues a alturas de muchos kilómetros. Esta es la forma en que se formaron muchas, pero no todas, de las cadenas montañosas de la Tierra. Los Alpes, por ejemplo, son resultado de que la placa africana chocó con la placa euroasiática. Como veremos, sin embargo, procesos bastante diferentes produjeron las montañas en otros planetas.
Una vez que una cordillera se forma por el empuje ascendente de la corteza, sus rocas están sujetas a la erosión por el agua y el hielo. Los picos afilados y los bordes dentados tienen poco que ver con las fuerzas que hacen las montañas inicialmente. En cambio, resultan de los procesos que derriban montañas. El hielo es un escultor especialmente efectivo de roca (Figura\(\PageIndex{6}\)). En un mundo sin mover hielo o agua corriente (como la Luna o Mercurio), las montañas permanecen lisas y opacas.
Volcanes
Los volcanes marcan lugares donde la lava sube a la superficie. Un ejemplo son las crestas oceánicas medias, que son largas cadenas montañosas submarinas formadas por lava que se eleva desde el manto de la Tierra en los límites de las placas. Un segundo tipo importante de actividad volcánica se asocia con las zonas de subducción, y los volcanes a veces también aparecen en regiones donde las placas continentales están colisionando. En cada caso, la actividad volcánica nos da una manera de muestrear parte del material desde lo más profundo de nuestro planeta.
Otra actividad volcánica ocurre sobre los “puntos calientes” del manto, áreas alejadas de los límites de las placas donde, sin embargo, el calor se eleva desde el interior de la Tierra Uno de los puntos calientes más conocidos es bajo la isla de Hawai, donde actualmente abastece el calor para mantener tres volcanes activos, dos en tierra y uno bajo el océano. El punto caliente de Hawái ha estado activo durante al menos 100 millones de años. A medida que las placas de la Tierra se han movido durante ese tiempo, el punto caliente ha generado una cadena de islas volcánicas de 3500 kilómetros de largo. Los volcanes hawaianos más altos se encuentran entre las montañas individuales más grandes de la Tierra, más de 100 kilómetros de diámetro y que se elevan 9 kilómetros sobre el fondo del océano. Una de las montañas volcánicas hawaianas, la ahora inactiva Mauna Kea, se ha convertido en uno de los grandes sitios del mundo para hacer astronomía.
El Servicio Geológico de Estados Unidos proporciona un mapa interactivo del famoso “anillo de fuego”, que es la cadena de volcanes que rodean el Océano Pacífico, y muestra el “punto caliente” hawaiano encerrado dentro.
No todas las erupciones volcánicas producen montañas. Si la lava fluye rápidamente de grietas largas, puede extenderse para formar llanuras de lava. Las erupciones terrestres más grandes conocidas, como las que produjeron los basaltos del río Snake en el noroeste de Estados Unidos o las llanuras de Deccan en la India, son de este tipo. Llanuras de lava similares se encuentran en la Luna y los otros planetas terrestres.
Conceptos clave y resumen
Las rocas terrestres pueden clasificarse como ígneas, sedimentarias o metamórficas. Un cuarto tipo, roca primitiva, no se encuentra en la Tierra. La geología de nuestro planeta está dominada por la tectónica de placas, en la que las placas corticales se mueven lentamente en respuesta a la convección del manto. La expresión superficial de la tectónica de placas incluye deriva continental, reciclaje del fondo oceánico, construcción de montañas, zonas de grieta, zonas de subducción, fallas, terremotos y erupciones volcánicas de lava desde el interior.
Glosario
- convección
- movimiento causado dentro de un gas o líquido por la tendencia del material más caliente, y por lo tanto menos denso, a subir y más frío, material más denso a hundirse bajo la influencia de la gravedad, lo que consecuentemente resulta en la transferencia de calor
- falla
- en geología, una grieta o rotura en la corteza de un planeta a lo largo de la cual puede tener lugar un deslizamiento o movimiento, acompañado de actividad sísmica
- roca ígnea
- roca producida por enfriamiento a partir de un estado fundido
- roca metamórfica
- roca producida por alteración física y química (sin fusión) bajo alta temperatura y presión
- tectónica de placas
- el movimiento de segmentos o placas de la capa externa de un planeta sobre el manto subyacente
- roca primitiva
- roca que no ha experimentado gran calor o presión y por lo tanto sigue siendo representativa de los materiales condensados originales de la nebulosa solar
- zona de grieta
- en geología, un lugar donde la corteza está siendo desgarrada por fuerzas internas generalmente asociadas con la inyección de nuevo material del manto y con la lenta separación de placas tectónicas
- roca sedimentaria
- roca formada por la deposición y cementación de granos finos de material, como trozos de roca ígnea o conchas de seres vivos
- subducción
- el movimiento lateral y descendente del borde de una placa de la corteza terrestre hacia el manto debajo de otra placa
- volcán
- un lugar donde el material del manto de un planeta estalla en su superficie