1.5: El estudio de la geología

Los geólogos aplican el método científico para conocer los materiales y procesos de la Tierra. La geología juega un papel importante en la sociedad; sus principios son esenciales para localizar, extraer y administrar los recursos naturales; evaluar los impactos ambientales del uso o extracción de estos recursos; así como comprender y mitigar los efectos de los peligros naturales.

Figura\(\PageIndex{1}\): Una clase observa rocas en el Parque Nacional Zion.

La geología a menudo aplica información de la física y la química al mundo natural, como comprender las fuerzas físicas en un deslizamiento de tierra o la interacción química entre el agua y las rocas. El término proviene de la palabra griega geo, que significa Tierra, y logos, que significa pensar o tener en cuenta.

¿Por qué estudiar geología?

Figura\(\PageIndex{2}\): Presa Hoover proporciona energía hidroeléctrica y almacena agua para el sur de Nevada.

La geología juega un papel clave en la forma en que usamos los recursos naturales, cualquier material natural que pueda extraerse de la Tierra para obtener ganancias económicas. Nuestra sociedad moderna desarrollada, como todas las sociedades anteriores a ella, depende de los recursos geológicos. Los geólogos están involucrados en la extracción de combustibles fósiles, como carbón y petróleo; metales como cobre, aluminio y hierro; y recursos hídricos en arroyos y embalses subterráneos dentro del suelo y rocas. Pueden ayudar a conservar el suministro finito de recursos no renovables de nuestro planeta, como el petróleo, que se fijan en cantidad y se agotan por el consumo. Los geólogos también pueden ayudar a administrar los recursos renovables que pueden ser reemplazados o regenerados, como la energía solar o eólica, y la madera.

Figura\(\PageIndex{3}\): Planta de carbón en Helper, Utah.

La extracción y el uso de recursos impactan nuestro entorno, lo que puede afectar negativamente la salud humana. Por ejemplo, la quema de combustibles fósiles libera al aire químicos que no son saludables para los humanos, especialmente para los niños. Las actividades mineras pueden liberar metales pesados tóxicos, como el plomo y el mercurio, en el suelo y las vías fluviales. Nuestras elecciones tendrán un efecto en el medio ambiente de la Tierra en el futuro previsible. Comprender la cantidad restante, la capacidad de extracción y la renovabilidad de los recursos geológicos nos ayudará a administrar mejor esos recursos de manera sostenible.

Figura\(\PageIndex{4}\): Edificios derribados por licuefacción durante un terremoto de magnitud 7.5 en Japón.

Los geólogos también estudian los peligros naturales creados por procesos geológicos. Los peligros naturales son fenómenos potencialmente peligrosos para la vida humana o la propiedad. Ningún lugar en la Tierra está completamente libre de peligros naturales, por lo que una de las mejores formas en que las personas pueden protegerse es entendiendo la geología. La geología puede enseñar a las personas sobre los peligros naturales en un área y cómo prepararse para ellos. Los peligros geológicos incluyen deslizamientos de tierra, terremotos, tsunamis, inundaciones, erupciones volcánicas y aumento del nivel del mar.

Figura\(\PageIndex{5}\): El Lago del Cráter de Oregón se formó hace unos 7700 años después de la erupción del Monte Mazama.

Por último, la geología es donde se cruzan otras disciplinas científicas en el concepto conocido como Ciencia del Sistema Terrestre. En la ciencia, un sistema es un grupo de objetos y procesos interactivos. La Ciencia del Sistema Terrestre ve a todo el planeta como una combinación de sistemas que interactúan entre sí a través de relaciones complejas. Este libro de texto de geología proporciona una introducción a la ciencia en general y a menudo hará referencia a otras disciplinas científicas.

La Ciencia del Sistema Terrestre incluye cinco sistemas básicos (o esferas), la Geosfera (el cuerpo sólido de la Tierra), la Atmósfera (la envoltura de gas que rodea a la Tierra), la Hidrosfera (agua en todas sus formas en y cerca de la superficie de la Tierra), la Criosfera (parte de agua congelada de la Tierra) y la Biosfera (vida en La Tierra en todas sus formas e interacciones, incluida la humanidad).

En lugar de ver la geología como un sistema aislado, los científicos del sistema terrestre estudian cómo los procesos geológicos dan forma no solo al mundo sino a todas las esferas que contiene. Estudian cómo estas esferas multidisciplinarias se relacionan, interactúan y cambian en respuesta a los ciclos naturales y las fuerzas impulsadas por el ser humano. Utilizan elementos de la física, química, biología, meteorología, ciencias ambientales, zoología, hidrología y muchas otras ciencias.

Ciclo de la Roca

Figura\(\PageIndex{6}\): Ciclo rocoso que muestra los cinco materiales (como rocas ígneas y sedimentos) y los procesos por los cuales uno cambia a otro (como la meteorización). (Fuente: Peter Davis)

La visión más fundamental de los materiales de la Tierra es el ciclo de las rocas, que describe los principales materiales que componen la Tierra, los procesos que los forman y cómo se relacionan entre sí. Por lo general, comienza con roca líquida fundida caliente llamada magma o lava. El magma se forma bajo la superficie de la Tierra en la corteza o manto. La lava es una roca fundida que entra en erupción sobre la superficie de la Tierra. Cuando el magma o la lava se enfría, se solidifica por un proceso llamado cristalización en el que los minerales crecen dentro del magma o lava. Las rocas resultantes son rocas ígneas. I gnis es latino para fuego.

Figura\(\PageIndex{7}\): Impresiones de gotas de lluvia litificadas sobre ondas de olas de Nueva Escocia.

Las rocas ígneas, así como otros tipos de rocas, en la superficie de la Tierra estuvieron expuestas a la intemperie y erosión, lo que produce sedimentos. La meteorización es la descomposición física y química de las rocas en fragmentos más pequeños. La erosión es la remoción de esos fragmentos de su ubicación original. Los fragmentos o granos rotos y transportados se consideran sedimentos, como grava, arena, limo y arcilla. Estos sedimentos pueden ser transportados por arroyos y ríos, corrientes oceánicas, glaciares y viento.

Los sedimentos llegan a descansar en un proceso conocido como deposición. A medida que los sedimentos depositados se acumulan, a menudo bajo el agua, como en un ambiente marino poco profundo, los sedimentos más antiguos son enterrados por los nuevos depósitos. Los depósitos se compactan por el peso de los sedimentos suprayacentes y los granos individuales son cementados juntos por minerales en las aguas subterráneas. Estos procesos de compactación y cementación se denominan litificación. Los sedimentos litificados se consideran una roca sedimentaria, como la arenisca y el esquisto. Otras rocas sedimentarias están hechas por la precipitación química directa de minerales en lugar de sedimentos erosionados y se conocen como rocas sedimentarias químicas.

Figura\(\PageIndex{8}\): Migmatita, una roca que está parcialmente fundida. (Fuente: Peter Davis)

Las rocas preexistentes pueden transformarse en una roca metamórfica; meta- significa cambio y -morphos significa forma o forma. Cuando las rocas son sometidas a aumentos extremos de temperatura o presión, los cristales minerales se agrandan o alteran en minerales completamente nuevos con una composición química similar. Las altas temperaturas y presiones ocurren en rocas enterradas en lo profundo de la corteza terrestre o que entran en contacto con magma o lava calientes. Si las condiciones de temperatura y presión funden las rocas para crear magma y lava, el ciclo rocoso comienza de nuevo con la creación de nuevas rocas.

Tectónica de Placas y Capas de Tierra

Figura\(\PageIndex{0}\): Mapa de las placas mayores y sus movimientos a lo largo de los límites.

La teoría de la tectónica de placas es el principio unificador fundamental de la geología y el ciclo de las rocas. La tectónica de placas describe cómo las capas de la Tierra se mueven entre sí, enfocándose en las placas tectónicas o litosféricas de la capa externa. Las placas tectónicas flotan, chocan, se deslizan unas junto a otras y se separan sobre una capa móvil subyacente llamada astenosfera. Se crean accidentes geográficos importantes en los límites de las placas, y las rocas dentro de las placas tectónicas se mueven a través del ciclo de las rocas. La tectónica de placas se discute con más detalle en el Capítulo 2.

Figura\(\PageIndex{10}\): El mapa global del grosor de la corteza.

Las tres capas geológicas principales de la Tierra se pueden clasificar por composición química o composición química: corteza, manto y núcleo. La corteza es la capa más externa y está compuesta principalmente por silicio, oxígeno, aluminio, hierro y magnesio [29]. Hay dos tipos: corteza continental y corteza oceánica. La corteza continental tiene aproximadamente 50 km (30 mi) de espesor, compuesta por rocas ígneas y sedimentarias de baja densidad, la corteza oceánica tiene aproximadamente 10 km (6 millas) de espesor y está hecha de rocas ígneas de tipo basalto de alta densidad. La corteza oceánica constituye la mayor parte del fondo oceánico, cubriendo alrededor del 70% del planeta [30]. Las placas tectónicas están hechas de corteza y una porción del manto superior, formando una capa física rígida llamada litosfera.

Figura\(\PageIndex{11}\): Las capas de la Tierra. Las capas físicas incluyen litosfera y astenosfera; las capas químicas son corteza, manto y núcleo.

El manto, la capa química más grande por volumen, se encuentra debajo de la corteza y se extiende hasta unos 2,900 km (1,800 millas) por debajo de la superficie de la Tierra [31]. El manto mayoritariamente sólido está hecho de peridotita, una alta densidad compuesta por sílice, hierro y magnesio [32]. La parte superior de la repisa es muy caliente y flexible, lo que permite que las placas tectónicas superpuestas floten y se muevan sobre ella. Bajo el manto se encuentra el núcleo de la Tierra, que tiene 3,500 km (2,200 mi) de espesor y está hecho de hierro y níquel. El núcleo consta de dos partes: un núcleo externo líquido y un núcleo interno sólido [33; 34; 35]. Las rotaciones dentro del núcleo metálico sólido y líquido generan el campo magnético de la Tierra (ver figura anterior) [36; 37].

Tiempo geológico y tiempo profundo

Figura\(\PageIndex{12}\): Tiempo geológico en la Tierra, representado circularmente, para mostrar las divisiones de tiempo individuales y eventos importantes. GA=Hace mil millones de años, MA=Hace millones de años.

“El resultado, pues, de nuestra presente indagación es, que no encontramos vestigio de un principio; ninguna perspectiva de fin”. (James Hutton, 1788) [22]

Uno de los primeros pioneros de la geología, James Hutton, escribió esto sobre la edad de la Tierra después de muchos años de estudio geológico. Aunque no era exactamente correcto —hay un comienzo y habrá un fin para el planeta Tierra— Hutton estaba expresando la dificultad que tienen los humanos para percibir la inmensidad del tiempo geológico. Hutton no asignó una edad a la Tierra, aunque fue el primero en sugerir que el planeta era muy viejo.

Hoy sabemos que la Tierra tiene aproximadamente 4.54 ± 0.05 mil millones de años. Esta edad fue calculada por primera vez por el profesor de Caltech Clair Patterson en 1956, quien midió las semividas de los isótopos de plomo para fechar radiométricamente un meteorito recuperado en Arizona [38]. Estudiar el tiempo geológico, también conocido como tiempo profundo, puede ayudarnos a superar una perspectiva de la Tierra que se limita a nuestras cortas vidas. Comparada con la escala geológica, la esperanza de vida humana es muy corta, y luchamos por comprender la profundidad del tiempo geológico y la lentitud de los procesos geológicos. Por ejemplo, el estudio de los sismos solo se remonta a unos 100 años; sin embargo, hay evidencia geológica de grandes sismos ocurridos hace miles de años. Y la evidencia científica indica que los sismos continuarán por muchos siglos en el futuro.

Figura\(\PageIndex{12}\): Escala de tiempo geológico que muestra nombres de períodos de tiempo y edades. (Fuente: Belinda Madsen)

Los eones son las divisiones más grandes del tiempo, y desde los más antiguos hasta los más jóvenes se llaman Hadean, Archean, Proterozoico y Fanerozoico. Los tres eones más antiguos a veces se conocen colectivamente como tiempo precámbrico.

La vida apareció por primera vez hace más de 3,800 millones de años (Ma). De 3,500 Ma a 542 Ma, o 88% del tiempo geológico, las formas de vida predominantes fueron organismos unicelulares como bacterias. Organismos más complejos aparecieron solo más recientemente, durante el actual Eón Fanerozoico, que incluye los últimos 542 millones de años o 12% del tiempo geológico.

El nombre Fanerozoico proviene de faneros, que significa visible, y zoico, que significa vida. Este eón marca la proliferación de animales multicelulares con partes duras del cuerpo, como conchas, que se conservan en el registro geológico como fósiles. Los animales terrestres han existido por 360 millones de años, o 8% del tiempo geológico. La desaparición de los dinosaurios y posterior ascenso de mamíferos ocurrió alrededor de 65 Ma, o 1.5% del tiempo geológico. Nuestros antepasados humanos pertenecientes al género Homo han existido desde aproximadamente 2.2 Ma— 0.05% del tiempo geológico o solo\(\frac{1}{2,000}^{th}\) la edad total de la Tierra.

El Eón Fanerozoico se divide en tres épocas: Paleozoica, Mesozoica y Cenozoica. Paleozoico significa vida antigua, y los organismos de esta época incluyeron animales invertebrados, peces, anfibios y reptiles. El Mesozoico (vida media) es conocido popularmente como la Era de los Reptiles y se caracteriza por la abundancia de dinosaurios, muchos de los cuales evolucionaron hasta convertirse en aves. La extinción masiva de los dinosaurios y otros reptiles depredadores ápice marcó el final del Mesozoico y el comienzo del Cenozoico. Cenozoico significa nueva vida y también se llama la Era de los Mamíferos, durante la cual los mamíferos evolucionaron para convertirse en los animales predominantes que habitan en la tierra. Los fósiles de los primeros humanos, u homínidos, aparecen en el registro de rocas solo durante los últimos millones de años del Cenozoico. La escala de tiempo geológico, el tiempo geológico y la historia geológica se discuten con más detalle en los capítulos 7 y 8.

Las herramientas del geólogo

Figura\(\PageIndex{13}\): Fósil icónico de Archaeopteryx lithographica de Alemania.

En su forma más simple, la herramienta de un geólogo puede ser un martillo de roca utilizado para muestrear una superficie fresca de una roca. Un conjunto de herramientas básicas para el trabajo de campo también podría incluir:

• Lente de aumento para ver detalles mineralógicos
• Brújula para medir la orientación de las características geológicas
• Mapa para documentar la distribución local de rocas y minerales
• Imán para identificar minerales magnéticos como la magnetita
• Diluir solución de ácido clorhídrico para identificar minerales que contienen carbonato como calcita o piedra caliza.

En el laboratorio, los geólogos utilizan microscopios ópticos para examinar de cerca las rocas y el suelo para determinar la composición mineral y el tamaño de grano. Los espectrómetros láser y de masas miden con precisión la composición química y la edad geológica de los minerales. Los sismógrafos registran y localizan la actividad sísmica, o cuando se usan junto con un radar de penetración terrestre, localizan objetos enterrados debajo de la superficie de la tierra. Los científicos aplican simulaciones por computadora para convertir sus datos recopilados en modelos teóricos comprobables. Los hidrogeólogos perforan pozos para muestrear y analizar la calidad y disponibilidad del agua subterránea. Los geoquímicos utilizan microscopios electrónicos de barrido para analizar minerales a nivel atómico, a través de rayos X. Otros geólogos utilizan la cromatografía de gases para analizar líquidos y gases atrapados en hielo glacial o rocas.

La tecnología proporciona nuevas herramientas para la observación científica, lo que lleva a nuevas evidencias que ayudan a los científicos a revisar e incluso refutar viejas ideas. Debido a que nunca se descubrirá la última tecnología, nunca se hará la observación definitiva. Y esta es la belleza de la ciencia, está siempre avanzando y siempre descubriendo algo nuevo.

Referencias

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