TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

(1)

PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Tierra?

Observación y análisis sobre materiales

Observaciones directas

•

•Datos sísmicos: indican presencia de

discontinuidades en el interior de la tierra.

•Datos de aceleración gravitacional : Observaciones indirectas

Prof. Grony Garbán G. (2013)

sobre materiales

geológicos expuestos en superficie o colectados a

profundidades

relativamente “someras”

permiten el calculo de la densidad y su distribución dentro de La Tierra.

•Datos de flujo de calor: refleja la

abundancia y distribución de elementos radioactivos en la corteza y manto de La Tierra

•Datos cosmoquímicos: permiten

establecer la composición y procesos de formación de materiales presentes en el interior de La Tierra

(2)

Datos sísmicos:

Permiten establecer la presencia de discontinuidades en el interior de La Tierra. El comportamiento de las ondas sísmicas muestra que el interior de La Tierra es

claramente heterogéneo, en el sentido de que a diferentes profundidades, los

materiales presentan distintas propiedades elásticas.

Durante un terremoto se generan diversas ondas sísmicas, unas viajan por el interior de

Durante un terremoto se generan diversas ondas sísmicas, unas viajan por el interior de la Tierra: son las primarias P y secundarias S, y otras lo hacen por la superficie como las ondas Raleigh y Love.

(3)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Las ondas P (primarias) son ondas longitudinales o compresionales, lo cual significa que el suelo es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material líquido o sólido. Velocidades típicas son 1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito.

Las ondas S (secundarias o de cizalla) son ondas en las cuales el desplazamiento es transversal a la dirección de propagación. Su velocidad es menor que la de las ondas primarias. Debido a ello, éstas aparecen en el terreno algo después que las primeras. Estas ondas son las que generan las oscilaciones durante el movimiento sísmico y las que producen la mayor parte de los daños. Sólo se trasladan a través de

(4)

Existen regiones de la Tierra que no reciben la señal del terremoto y que siempre se localizaban en la misma posición opuesta al epicentro del sismo. Se reciben las ondas P pero no a las S. Se empezó a consolidar la posibilidad de que una capa

la posibilidad de que una capa interior de la Tierra fuera fluida ya que se conocía que las ondas S no se propagaban en medios fluidos, así se llegó a precisar que a partir 2900km de profundidad estaba fundido el núcleo.

Zonas de sombra “P”→ heterogeneidad del núcleo.

(5)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Discontinuidades de 1re orden

Mohorovicic: limita la base de la corteza con el manto superior (≈≈≈≈30 km)

Liu-Tromp-Dziewonski (1998):

Gutenberg: limita la base del manto con el núcleo externo (≈≈≈≈2900 km)

Lehmann: limita la base del núcleo externo con el núcleo interno (≈≈≈≈5150km)

Liu-Tromp-Dziewonski (1998): heterogeneidad en el manto inferior(≈≈≈≈2600km)

(6)

DENSIDAD DE LA TIERRA

Datos de aceleración gravitacional :

Utilizando las leyes de aceleración gravitacional de (Newton), Cavendish (1731-1810) pudo estimar la masa de la tierra, y con las medidas del radio terrestre, calculó la densidad aproximada de la misma (5,46 g/cm3_{) siendo la aceptada en la actualidad de 5,52 g/cm}3

(7)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Ahora bien, ¿cómo explicar qué con una densidad promedio de la Tierra como la

calculada (5,52 g/cm3_{), se presente una densidad de los materiales rocosos de la}

superficie terrestre (2,80 g/cm3_{) y una densidad interna > 5,46 g/cm}3 _?

1) Debe haber un cambio en el estado físico (fases minerales o de agregación) que incremente la densidad con la profundidad

que incremente la densidad con la profundidad

2) Debe haber un cambio composicional que incremente la densidad con la profundidad

(8)

¿Cuál es la distribución de la densidad en el interior de la tierra?

• Dependencia de la velocidad de las ondas sísmicas con la

de las ondas sísmicas con la densidad y la rigidez

V2∝∝∝∝ _1/ρρρρ _{; V}2∝∝∝∝ _µ

• La densidad total debe

corresponderse con el momento de inercia de la Tierra (calculado por la constante de precesión de los equinoccios)

(9)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

¿Cuál es la distribución de la densidad en el interior de la tierra?

(10)

Modelo de cambio en el ensamblaje

mineralógico del manto superior (Ringwood, 1975)

ZONAS (cambio de densidad con presión cero)

a) Litósfera

b) Astenósfera (fusión parcial)

c) Región sólida de fases olivino-piroxeno

d) Región sólida de transformación piroxeno---granate/olivino----estructuraββββ

e) Región sólida de transformación granate----perovskita/ estructuraββββ----espinela

perovskita/ estructuraββββ----espinela

f) y g) Región sólida de transformación de espinela----MgO (estruc. halita) + perovskita/ granate----ilmenita

(11)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA

Observación directa (minas y perforaciones profundas) → La temperatura aumenta con la profundidad

La velocidad de incremento varía de sitio a sitio, pero en la corteza se ha podido establecer un gradiente geotérmico entre 10 a 50ºC /km, con un promedio de 30ºC/km

A partir del gradiente geotérmico y la conductividad de las rocas, se ha podido estimar que el

A partir del gradiente geotérmico y la conductividad de las rocas, se ha podido estimar que el flujo de calor promedio hacia la superficie es de 1,5 µcal/cm2seg

Provincia Flujo de calor µcal/cm2_seg Cuencas oceánicas 1,28 Ridges oceánicos 1,82 Escudos Precambrico 0,92 Orógenos CZ y MZ 1,92 Áreas volcánicas 2,16

Roca ígnea Calor total producido

(erg/g.año) Granitos 235 Ácidas 275 Intermedias 108 Basaltos 72 Dunitas 0,87

?

K, U, Th

(12)

TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA

(13)

COMENTARIOS

PREGUNTAS

(14)

Estructura Interna de la Tierra Espesores aproximados Corteza (5 a 70 km) •Continental (20-70 km) •Oceánica (5-10 km) Litósfera (100 a 300 km) Astenósfera (350 a 500 km)

Manto (2855 km)

•Manto superior (365 km) •Zona de transición (600 km) •Manto inferior (1900km)

(15)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Estructura Interna de la Tierra

Esquema de la Corteza Terrestre (modelo de capas “heterogéneas”)

CORTEZA

(16)

MANTO

(17)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

MANTO

Modelo de composición

pirolírica del manto

superior (Ringwood,

1975)

Modelo teórico que

postula que la

composición del manto

superior es de 1 parte de composición basáltica toleítica y 3 partes de composición dunítica, en un material que se denomino PIROLITA.

(18)

MANTO

Modelo de composición pirolírica del manto superior (Ringwood, 1975)

Según el modelo de Ringwood, la fusión fraccionada del material pirolítico produce el magma basáltico. La mineralogía de la pirolita varía según la presión y temperatura, dando el siguiente esquema de ensamblaje mineralógico (de más “somero” a más profundo):

“somero” a más profundo):

a) Olivino + anfibol → “anfolita” (corteza oceánica)

b) Olivino + piroxeno (pobre en Al) + plagioclasa → “pirolita plagioclásica”

c) Olivino + piroxeno (rico en Al) + espinela → “pirolita piroxénica”

(19)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

MANTO

Modelo de diferenciación del material pirolítico en arcos de islas (Ringwood, 1975)

(20)

MANTO

Secuencias ofiolíticas

Complejo de rocas ígneas máficas y

ultramáficas constituido por la

intercalación de capas (idealizado) de basaltos (superior), gabros (intermedio)

basaltos (superior), gabros (intermedio) y peridotitas (inferior). Se interpreta

como trozos de litosfera oceánica

(corteza oceánica y parte del manto

superior), obducidos en la corteza

(21)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

MANTO

Modelo composicional del manto

(22)

MANTO

(23)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Se puede asumir un modelo

condrítico para el manto

Terrestre?

MANTO

(24)

Terrestre?

MANTO

(25)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Terrestre?

MANTO

La preservación de un modelo condritico implica un reservorio enriquecido “oculto”

(26)

Estructura zonal de la Tierra

Estructura de la Tierra

Nombre Características químicas Características físicas Atmósfera O₂, N₂, H₂O, gases inertes Gaseoso

Biósfera H₂O, sustancias orgánicas y material esqueletal

Sólido, líquido y coloidal Hidrósfera Agua “dulce” y “salada”, Líquido (y en partes, sólido)

Hidrósfera Agua “dulce” y “salada”, nieve y hielo

Líquido (y en partes, sólido) Corteza Rocas silicatadas normales Sólido

Manto Material silicatado ultramáfico (olivino, piroxeno y sus

equivalentes de alta presión y temperatura)

Sólido (una región viscoplástica)

Núcleo Aleación Fe-Ni Parte externa líquida y parte

interna sólida

(27)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Estructura zonal de la Tierra

Espesor-porcentaje de masa y volumen de las capas de la Tierra

Nombre Espesor (km) % masa % volumen

Atmósfera - 0,00009

-Hidrósfera 3,8 0,024 0,12

Corteza 17 0,4 0,74

Manto 2883 67,2 83,01

Núcleo 3471 32,4 16,15

(28)

PREGUNTAS

(29)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Composición de la Corteza terrestre

Distribución de las rocas en la corteza terrestre

(30)

Composición promedio (%) de algunos tipos de rocas ígneas

Oxido Granito Granodiorita Gabro Rocas ígneas promedio*

SiO₂ 72.08 66.15 48.36 60.18

TiO₂ 0.37 0.62 1.32 1.06

Al₂O₃ 13.89 15.56 16.84 15.61

Fe₂O₃ 0.86 1.36 2.55 3.14

FeO 1.67 3.42 7.92 3.88 MnO 0.06 0.08 0.18 no reportado MgO 0.52 1.94 8.06 3.56 CaO 1.33 4.65 11.07 5.17 Na₂O 3.08 3.90 2.26 3.91 K₂O 5.46 1.42 0.56 3.19 H₂O 0.53 0.69 0.64 no reportado P₂O₅ 0.18 0.21 0.24 0.30

(31)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Goldschmidt sugiere que al analizar muestras promedios que se encuentren ampliamente distribuidas en la superficie terrestre, es posible asociarla con una composición promedio de la corteza. Él trabajó con sedimentos glaciares (arcillas) ¿Por qué?

Oxido 77 muestras de sedimentos glaciares

SiO₂ 59.12

TiO₂ 0.79

Al O 15.82

Al₂O₃ 15.82 Fe₂O₃ 6.99 FeO ↑ MgO 3.30 CaO 3.07 Na₂O 2.05 K₂O 3.93 H₂O 3.02 P₂O₅ 0.22

(32)

Existen otros materiales geológicos de referencia dentro de los cuales destaca el North American Shale Composite (NASC) y el Post-Archean Australian Shale PAAS)

Oxido NASC PAAS

SiO₂ 64.80 62.80

TiO₂ 0.70 1.00

Al₂O₃ 16.90 18.90

Fe O 5.65 7.22

Fe₂O₃ 5.65 7.22 FeO ↑ ↑ MnO 0.06 0.11 MgO 2.86 2.20 CaO 3.63 1.30 Na₂O 1.14 1.20 K₂O 3.97 3.70 H₂O P₂O₅ 0.13 0.16

(33)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Composicionalmente, se ha podido dividir la corteza continental en tres partes: inferior, media y superior. Para Rudnick y Fountain (1995) la composición en función de los óxidos mayoritarios es:

Oxido inferior media superior total

SiO₂ 52.3 60.6 66.0 59.1

TiO₂ 0.8 0.7 0.5 0.7

Al₂O₃ 16.6 15.5 15.2 15.8

Fe₂O₃ 8.4 6.4 4.5 6.6 FeO ↑ ↑ ↑ ↑ MnO 0.1 0.1 0.08 0.11 MgO 7.1 3.4 2.2 4.4 CaO 9.4 5.1 4.2 6.4 Na₂O 2.6 3.2 3.9 3.2 K₂O 0.6 2.0 3.4 1.9 H₂O P₂O₅ 0.1 0.1 0.4 0.2

(34)

Abundancia de los elementos (versus su peso atómico) en la corteza:

(35)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Abundancia de elementos químicos mayoritarios en la corteza terrestre

(36)

Algunos términos asociado a la abundancia de los elementos

Elementos mayoritarios:

son aquellos que presenta una concentración

mayor a 1 %.

Elementos minoritarios:

son aquello elemento que presentan una

concentración entre 1 % y 0,1%

Elementos traza:

son aquellos que presentan una concentración menor a

0,1%

Elementos dispersos:

elementos que aunque se presentan en cantidades

considerables en la corteza (generalmente minoritarios o traza) nunca

forman fases minerales

propias, sino que se encuentran dispersos en

minerales comunes.

Clarke:

término que se refiere al porcentaje promedio del elemento en la

corteza. Ejemplo: un clarke de oxigeno es 47; un clarke de Ni es 0,075

Clarke de concentración:

factor que muestra la concentración de un

elemento

dentro de un depósito o mineral particular.

Se calcula por

X

_muestra

/X

_clarke

(37)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Composición de la Tierra como un todo

La composición total de la Tierra se encuentra determinada por la composición y abundancia relativa del Manto (67% masa) y el Núcleo (32 % masa).

En este sentido se ha tendido ha asumir un “modelo condrítico” que supone

que:

a) La aleación de hierro en el núcleo posee la composición promedio de

Fe-Ni en los condritos, incluyendo una cantidad de FeS (5.3%).

b) La composición del manto más la corteza es la misma que el promedio

de los materiales oxidados (silicatos, fosfatos, óxidos) presentes en los

condritos.

(38)

Elemento Metálico Trolilita Silicato Total

Fe 24.58 3.37 6.68 34.63 Ni 2.39 2.39 Co 0.13 0.13 S 1.93 1.93 O 29.53 29.53 Si 15.20 15.20

Si 15.20 15.20 Mg 12.70 12.70 Ca 1.13 1.13 Al 1.09 1.09 Na 0.57 0.57 Cr 0.26 0.26 Mn 0.22 0.22 P 0.10 0.10

K 0.07 0.07 Tomado de Mason &

(39)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Corteza Tierra total Meteoritos Sol Luna

O Fe O H O Si O Fe He Si Al Si Si O Mg Fe Mg Mg C Fe Ca Ni S N Ca Na S Ni Si Al Abundancia relativa de los elementos

Na S Ni Si Al K Ca Ca Mg Ni Mg Al Al Fe S Ti Na Na S Ti H Cr Cr Al Cr P Mn Mn Ca Na Mn Co P Ni P F P Co Na Mn Ba K K Cr V

Tomado de Mason & Moore (1984)

(40)

PREGUNTAS

(41)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Diferenciación primaria de los elementos

Asumiendo una teoría de formación acrecional y a partir un “modelo condritico”, es posible explicar una diferenciación “original” de los elementos químicos en la Tierra.

Condritos

Fases o grupos de fases

Fe-Ni Sulfuros de Fe Silicatos (Fe-Mg)

Los elementos se distribuyen inicialmente de acuerdo a la afinidad química con la fase metálica, sulfurada y silicatada en un sistema determinado por el equilibrio Fe-Mg-Si-O-S

(42)

Clasificación Geoquímica de los Elementos

Mediante el estudio de la distribución de elementos en las tres fases (metálica,

sulfurada y silicatada) que constituyen la mayoría de los meteoritos, Goldschmidt

(1923) propone la primera diferenciación geoquímica de los elementos:

Siderófilos: aquellos elementos que muestran afinidad con la fase metálica.

Calcófilos: aquellos elementos que presentan afinidad por la fase sulfurada.

Litófilos: aquellos elementos que presentan afinidad por la fase silicatada.

(43)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

El carácter geoquímico de los elementos se encuentra fundamentalmente controlado por su configuración electrónica.

Algunos elemento pueden mostrar afinidad por más de una fase, debido a que esta distribución se encuentra fuertemente influenciada por la temperatura, la presión y el ambiente geoquímico de el sistema como un todo.

El Cr es posee un carácter fuertemente litófilo en la corteza terrestre, pero cuando la

El Cr es posee un carácter fuertemente litófilo en la corteza terrestre, pero cuando la fugacidad de oxígeno disminuye drásticamente, adopta un carácter fuertemente calcófilo.

El carácter siderófilo del Cu, Ni y Zn disminuye cuando aumenta la temperatura, mientras que aumenta para Mn, Cr, Si, Ta, Nb, Ga y Ti (Corgne et al., 2008)

(44)

(45)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Historia pre geológica de la Tierra

La Tierra posee una edad de formación de 4567 millones de años

Los materiales más antiguos datados en la Tierra poseen una edad de 4470 millones de años (Kleine, Thorsten and Rudge, John F. (2011) Chronometry of Meteorites and the Formation of the Earth and Moon. ELEMENTS, 7 (1). pp. 41-46)

Las primeras formas de vida poseen una edad entre 2600 a 1900 millones de años

Se propone como aceptada la teoría de acreción para la formación de la Tierra.

Se postulan dos modelos: Acreción “suave” y Acreción “violenta” (modelo más aceptado)

(46)

La acreción violenta sugiere el impacto continuo y violento de cuerpos extraterrestre sobre una protroTierra acrecionada (eón Hadeano). Esto trae como consecuencia la formación de una zona fundida denominada “Océano de Magmas” similar al sugerido para la formación de la Luna

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TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

Con el modelo de “Océano de magma” se explica la formación del núcleo terrestre

Leer artículo Wood, B. 2011. The Formation and Differetiation of Earth. Physics Today, 44, No. 12, 40-45.

(48)

Con el modelo de “Océano de magma” se explica la formación del núcleo terrestre