4.1: Materia Frontal

¿Qué hay bajo nuestros pies?

La cultura pop y Hollywood han viajado varias veces al centro de la Tierra; sin embargo, los humanos nunca han estado ahí. ¡Ni siquiera somos capaces de ver directamente el interior de la Tierra! En cambio, los geólogos utilizan evidencia de la perforación, proxies como rocas lunares y meteoritos, muestras del interior de la Tierra expulsadas por volcanes (como diamantes y peridotita), actividad sísmica y modelado por computadora para aprender más sobre la composición y estructura del interior de la Tierra.

El conocimiento del interior de la Tierra es la base de la geología y nos ayuda a comprender los muchos procesos que operan dentro y en la superficie de la Tierra, especialmente la tectónica de placas. En esta sección, veremos cómo está estructurada la Tierra, cuáles son sus características físicas y cómo la estructura interna de la Tierra nos impacta viviendo en la superficie.

Sismólogos, geofísicos, vulcanólogos y otras disciplinas pueden estudiar la Tierra interna. Cada rama investiga de manera única la estructura interna de la Tierra y los impactos que esa estructura tiene en su funcionamiento interno y externo. Al igual que otros geocientíficos, la colaboración interdisciplinaria es común, con una fuerte influencia tanto de los sectores matemático como tecnológico. Muchos de estos geocientíficos son empleados por universidades donde enseñan y/o realizan investigaciones, y agencias estatales y federales, incluyendo estudios geológicos como el Servicio Geológico de California o el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS). En el sector privado se encuentran disponibles otras trayectorias profesionales, incluyendo la minería y la extracción de recursos naturales. Muchas de estas opciones de carrera requieren un título universitario y un trabajo de posgrado. Si estás interesado en convertirte en un científico de la tierra profunda, habla con tu instructor de geología para que te asesore. Recomendamos completar tantos cursos de matemáticas y ciencias como sea posible (la química es increíblemente importante para la mineralogía). También, visite Parques Nacionales, Parques estatales de CA, museos, espectáculos de gemas y minerales, o únase a un club local de rock y minerales. Por lo general, los museos de historia natural tendrán maravillosas exhibiciones de rocas, incluidas las de su región local. Aquí en California, hay una serie de grandes colecciones, incluyendo el Museo de Historia Natural de San Diego, el Museo de Historia Natural del Condado de Los Ángeles, el Museo de Historia Natural de Santa Bárbara y Museo de Historia Natural Kimball. Muchos colegios y universidades también tienen sus propias colecciones/museos.

Antes de poder abordar la tectónica de placas, debemos considerar el interior estratificado de la Tierra. A primera vista, podemos identificar tres regiones principales que son distintas en función de su composición general: el núcleo, el manto y la corteza. Sin embargo, más capas son visibles si también consideramos las propiedades mecánicas de las capas. Al examinar estas propiedades, se identifican cinco capas principales, la litosfera (manto superior y corteza), astenosfera, manto inferior, núcleo externo y núcleo interno. Para un viaje visual por el interior de la Tierra, visite el Viaje al Centro de la Tierra de la BBC o vea este video y haga un viaje al núcleo de la Tierra.

Figura 4.1: La estructura en capas de la Tierra.

Cuadro 4.1: Las capas de la Tierra tienen propiedades distintas y únicas.

Propiedades	Litosfera	Astenosfera	Manto Inferior	Núcleo externo	Núcleo interno
Comportamiento físico	Sólido, rígido, quebradizo	Sólido, plástico (dúctil)	Sólido, rígido, quebradizo	Líquido	Sólido, rígido, no quebradizo
Grosor Total (mi)	62	115	1800	1367	776
Grosor Total (km)	100	185	2897	2200	1249

La litosfera, que está compuesta por la corteza y el manto superior, tiene aproximadamente 100 km (~62 mi) de espesor y se comporta como un sólido quebradizo y rígido (Figura 4.2). Esta fragilidad provoca roturas (sismos) cuando se aplican tensiones. La corteza es muy delgada en relación con el radio del planeta; sin embargo, existen dos tipos distintos: 1) corteza oceánica, que está compuesta principalmente por rocas ígneas máficas como basalto y gabro y 2) corteza continental, que se compone principalmente de la roca ígnea félsica, granito. Los dos tipos de corteza son muy diferentes y sus diferencias de densidad son significativas para la mecánica de la tectónica de placas. El granito es mucho menos denso que el basalto, lo que resulta en una corteza continental boyante que se asienta más arriba sobre el manto subyacente. La corteza oceánica más densa y menos flotante se hunde aún más en el manto subyacente, formando cuencas, muchas de las cuales están llenas de los océanos de la Tierra. En el Cuadro 4.2 se destacan las diferencias corticales con más detalle.

Cuadro 4.2: Las principales diferencias entre la corteza oceánica y continental.

Tipo de corteza	Grosor promedio	Densidad	Composición	Tipo de roca dominante
Oceanic	7 km/4 mi	3.0 g/cm3	Mafic	Basalto y gabro
Continental	40 km/25 mi	2.7 g/cm3	Félsico	Granito

Figura 4.2: Componentes de la litosfera, incluyendo la corteza continental, la corteza oceánica y el manto superior.

El manto está hecho de roca caliente y sólida, gran parte de la cual está compuesta por minerales de silicato como el olivino. La astenosfera, región del manto que es plástica y capaz de fluir, probablemente esté compuesta principalmente por la peridotita de roca ultramáfica. El manto inferior (mesosfera) es más rígido y rocoso y está compuesto por diferentes minerales de silicato, como la bridgmanita.

Figura 4.3: Las celdas de convección del manto

Las corrientes de convección, importantes para la mecánica de la tectónica de placas, se desarrollan a medida que los materiales del manto inferior cerca del núcleo se calientan. Estas celdas de convección del manto ocurren a medida que las partículas en la roca comienzan a moverse más rápidamente, disminuyen de densidad, se elevan hacia la superficie de la Tierra. Cuando el material cálido llega a la superficie, se extiende horizontalmente y comienza a enfriarse. Finalmente, el material se vuelve lo suficientemente frío y denso como para hundirse de nuevo en el manto hacia el núcleo. A medida que el material se hunde de nuevo hasta el fondo del manto, el material se desplaza horizontalmente y el proceso comienza de nuevo (Figura 4.3).

En el centro del planeta se encuentra el núcleo, que es denso y metálico. Los cálculos indican que el núcleo es aproximadamente 85% de hierro metálico con níquel metal que constituye la mayor parte del 15% restante. Los geólogos saben que el núcleo es metálico debido a proxies, como meteoritos metálicos, y a partir de cálculos de la densidad general del planeta. Profundizando en el interior de la Tierra, la temperatura y la presión aumentan. Aunque el núcleo interno está muy caliente (5200°C o 9392°F), es sólido porque está experimentando una presión muy alta (3.6 millones de atm). La presión en el núcleo externo no es lo suficientemente alta como para mantenerlo sólido. Gran parte del calor aquí es producido por la descomposición de elementos radiactivos en el núcleo interno.

Las ondas sísmicas son utilizadas por los geólogos para “ver” la estructura interna de la Tierra, de manera similar a como un médico usa una tomografía computarizada para observar el interior de su cuerpo. Esta imagen del interior de la Tierra por ondas sísmicas es una tomografía sísmica, que resalta límites distintos, o discontinuidades, entre capas, donde ocurren cambios en la composición y la materia. Debido a que el núcleo interno de la Tierra es una esfera metálica sólida hecha principalmente de hierro y níquel y rodeada completamente de líquido, podemos visualizarla como un rodamiento de bolas gigante girando en un fluido presurizado. La tomografía sísmica del núcleo interno ha encontrado evidencia de que está girando -girando- solo un poco más rápido que el resto de la Tierra.

La magnetosfera de la Tierra se produce por la interacción del núcleo interno sólido que gira rápidamente y la naturaleza de convección y carga eléctrica del núcleo externo líquido (el geodinamo). Esto provoca inestabilidad, y cada varios cientos de miles a varios millones de años, el campo magnético de la Tierra se vuelve inestable hasta el punto de que “voltea”. Cuando “voltea”, sus polos magnéticos norte y sur se conmutan; esto se llama inversión magnética. Los modelos matemáticos sugieren que una inversión puede tardar entre uno y varios miles de años en completarse.

Figura 4.4

Atribuciones

• Figura 4.1: “La Tierra en Capas” (CC-BY 4.0; Chloe Branciforte, obra propia)

• Cuadro 4.1: “Propiedades de la Tierra Interna” (CC-BY 4.0; Chloe Branciforte, obra propia)

• Cuadro 4.2: “Tipos de corteza” (CC-BY 4.0; Chloe Branciforte, obra propia)

• Figura 4.2: “La litosfera” (CC-BY 4.0; Chloe Branciforte, obra propia)

• Figura 4.3: “Convección” (CC-BY 4.0; Chloe Branciforte, obra propia)

• Figura 4.4: “Núcleo” (CC-BY-NC 2.5; xkcd vía xkcd.com)