jueves, 9 de diciembre de 2010

El interior de la Tierra I: Métodos de estudio

La Tierra tiene un radio de algo más de 6000 kilómetros, de los cuales apenas se ha conseguido excavar los qunice primeros. A pesar de ello, los geólogos disponen de diferentes procedimientos de estudio que les permiten obtener información del interior de nuestro planeta, hasta el punto de que actualmente se puede decir que se conocen bastantes detalles acerca de su composición, estructura y dinámica. Algunos de estos métodos de estudio son directos, como la exploración geológica, el estudio de los materiales extraídos de las minas o la realización de sondeos geológicos, pero los más importantes son métodos indirectos, entre los que destaca el método sísmico, pero que también incluyen métodos gravimétricos, magnéticos, eléctricos o el estudio de los meteoritos.

La exploración geológica consiste en la recogida y estudio de muestras superficiales, a partir de las cuales se puede conocer su naturaleza y edad, pero también sobre otros aspectos de su historia geológica, como los esfuerzos y deformaciones que han sufrido a lo largo del tiempo. Los datos recogidos se recopilan y representan en el mapa geológico, y pueden ser utilzados también para elaborar cortes geológicos que permiten reconstruir la historia de una zona determinada.
Los mapas geológicos integran información topográfica, es decir, relativa a la altura de cada punto del terreno, representada mediante curvas de nivel, litológica, al diferenciar los materiales rocosos que se pueden observar en la superficie terrestre mediante colores y signos convencionales, y estructural, puesto que identifica la presencia de pliegues y fallas en superficie, señalándolas mediante líneas y signos auxiliares.

A partir de los mapas geológicos es posible elaborar cortes geológicos, en los que se muestra la posición deducida de las capas rocosas superficiales en el interior de la corteza. De este modo, el corte geológico permite a los investigadores hacer hipótesis acerca de dos aspectos que no pueden observar directamente: la disposición de las rocas en el interior de la Tierra y la historia geológica de un lugar.

En general, los mapas geológicos son el resultado de un intenso proceso de investigación y suelen ir acompañados de un documento explicativo, la memoria del mapa, en el que se proporciona información importante acerca de la composición litológica y de la historia geológica de la zona representada en el mapa.

El estudio geológico de las minas también ha proporcionado información interesante acerca del interior de nuestro planenta, a pesar de que las más profundas no alcanzan más allá de los 4 kilómetros de profundidad. Gracias a los datos recogidos en minas se ha conocido, por ejemplo, la existencia de un gradiente geotérmico, es decir, de una variación de la temperatura del terreno en función de la profundidad, de 3ºC cada 100 metros.

Otro procedimiento directo de estudio del interior de la Tierra es la realización de sondeos geológicos, excavaciones que se realizan tanto con fines científicos como tecnológicos (por ejemplo, determinar si el subsuelo de una zona es apto para realizar determinadas obras) y en las que se extrae un cilindro de material llamado testigo. El sondeo más profundo realizado hasta la actualidad es el KSB (Kola Superdeep Borehole), al norte de Rusia, que ha llegado hasta los 15 km. Los testigos permiten crear litotecas, es decir, colecciones de material rocoso que proporcionan información de rocas y fósiles profundos.

Los materiales más profundos a los que tenemos un acceso directo son, sin embargo, los que resultan expulsados al exterior a través de las erupciones volcánicas. Su estudio ha permitido llegar a ciertas conclusiones acerca de las condiciones físicas en las que se formaron esos materiales y sobre la composición química del interior de la Tierra.

Los principales resultados aportados por los estudios directos del interior de nuestro planeta son las siguientes:
  • Las rocas más abundantes en la zona externa del planeta están formadas, sobre todo, por minerales de la familia de los silicatos.
  • Esas rocas mantienen su estructura y composición al menos hasta la profundidad que han alcanzado los sondeos más profundos.
  • Los volcanes, según su localización geográfica, arrojan materiales de dos tipos: fundamentalmente graníticos, si se encuentran en áreas continentales, y fundamentalmente basálticos, si están en zonas oceánicas.
  • En la zona superficial del planeta se observa una variación de la temperatura de los materiales con la profundidad, indicativa de la existencia de una fuente interna de energía. El valor medio detectado de ese gradiente es de 30ºC/Km.

En cuanto a los metodos indirectos de estudio del interior de la Tierra, todos se basan en la determinación de propiedades de propiedades del planeta que pueden analizarse desde el exterior. Entre ellos se pueden citar el estudio de la densidad de la Tierra, así como métodos eléctricos, magnéticos, gravimétricos o sísmicos. Del mismo modo, también se puede conseguir información sobre el interior de nuestro planeta analizando la composición de los meteoritos que llegan a la superficie terrestre.

La densidad de la Tierra puede calcularse mediante una serie sencilla de cálculos si se tiene en cuenta que se pueden estimar su masa, a partir de la fuerza de gravitación que ejerce sobre los cuerpos de su superficie, y su volumen, gracias a que se puede medir o calcular su radio. El resultado que se obtiene indica que la densidad media de nuestro planeta, 5,6 g/cm3 es bastante más alta que la densidad media de las rocas de la corteza, 2,8 g/cm3. Esto indica que las rocas del interior del planeta deben ser mucho más densas que las que podemos encontrar en su superficie.

También aporta una información de considerable interés el estudio de la fuerza de gravedad terrestre. En el siglo XIX se descubrió que el macizo montañoso del Himalaya ejercía una fuerza de atracción menor a la que le correspondería por su volumen. Este fenómeno se denominó anomalía gravimétrica negativa, y abrió el paso a un nuevo modo de estudio del interior de la Tierra.

El valor de g (la aceleración gravitatoria) que se utiliza habitualmente, 9,81 m/s2 es en realidad un valor medio, razón por la que se identifica más correctamente como g0. Considerar g constante es una simplificación derivada de entender el planeta como una masa puntual, útil para facilitar los cálculos pero demasiado simple cuando se realiza un estudio detallado. En realidad, la fuerza con la que la Tierra atrae a los cuerpos situados en su superficie depende, evidentemente, de la distancia real hasta el centro de la Tierra (que no es constante, dado que nuestro planeta no es una esfera perfecta), de la influencia de otros cuerpos astronómicos (el Sol, la luna) y de la cantidad de masa que existe bajo ese punto concreto. Al considerar esos factores se realizan una serie de correcciones sobre el valor teórico de g, a pesar de las cuales se siguen observando anomalías gravitatorias.

Una anomalía gravitatoria es, por lo tanto, una desviación del valor de la aceleración gravitatoria teórica de un punto. Es positiva cuando el valor de g medido en ese punto es mayor que el calculado y negativa cuando es menor.

Las anomalías positivas indican que en esa zona existen, en el interior de la Tierra, materiales de mayor densidad que la media, mientras que las anomalías negativas hablan de materiales de densidad baja.

A escala local, los estudios gravimétricos son de enorme interés en la prospección geológica de minas, mientras que a escala global han servido para poder identificar la distribución geográfica de rocas de diferente naturaleza, más o menos densas que lo esperado.

Gracias al estudio gravimétrico ha podido determinarse que la forma de la Tierra responde mejor al modelo denominado de geoide que al elipsoide matemático al que se equiparaba tradicionalmente.

También ha permitido conocer la distribución asimétrica de los materiales en la corteza terrestre: las regiones de corteza continental, especialmente los orógenos, son menos densas de lo esperado, mientras que la corteza oceánica presenta una densidad mayor que la media. Esta distribución se ha explicado mediante la teoría de la isostasia, según la cual la diferencia de masas que se aprecia entre diferentes bloques de la corteza se compensa isostáticamente en profundidad, como si los materiales reposaran sobre un lecho fluido (aunque en realidad se trate de un material sólido plástico). De acuerdo con el modelo de Airy, las partes de la corteza más elevadas sobre la superficie son también más profundas.

La Tierra posee un campo magnético que, en su mayor parte (aproximadamente un 95%), procede de su interior. Esta constatación, junto con la medida de la intensidad del campo magnético, lleva a deducir que el interior del planeta debe estar formado sobre todo por hierro, lo que coincide bastante bien con la elevada densidad interna del planeta.

La forma más sencilla de modelizar el campo magnético terrestre es considerar que se parece a un imán de barra, con dos polos, norte y sur, cuya posición está próxima a la de los polos geográficos, aunque es el polo sur magnético el que se encuentra en el hemisferio norte. Eisten registros geológicos que demuestran que los polos magéticos han cambiado de posiciónn a lo largo de la historia, mediante desplazamientos de unos 180º denominados inversiones magnéticas. El eje magnético de la Tierra es levemente excéntrico, y no pasa por el centro del planeta, sino unos kilómetros por encima del mismo, bajo el océano Pacífico.

La explicación más simple del origen del campo magnético terrestre se basa en el principio de la dinamo, que lleva a suponer la existencia de una masa de metal líquido girando alrededor de un núcleo metálico sólido.

Otra de las propiedades geofísicas que se pueden estudiar desde la superficie es la capacidad de transmitir la electricidad, que depende de la composición química y la estructura de las rocas, lo que permite identificar las rocas cercanas a la superficie con bastante precisión.

Un enfoque diferente para tratar de conocer las características del interior de la Tierra es utilizar como término de comparación los meteoritos que caen a la superficie de nuestro planeta. Los meteoritos son fragmentos de roca que proceden, en su mayoría, del cinturón de asteroides. Algunos de ellos son representativos de la composición original de los materiales a partir de los cuales se formó el Sistema Solar, mientras que otros han sufrido procesos de modificación que se supone que son similares a los de nuestro propio planeta. En la primera categoría se incluyen los meteoritos conocidos como condritas, especialmente las condritas carbonáceas, que conservan una proporción relativamente elevada de elementos ligeros, imprescindibles para explicar el origen de la vida, mientras que las acondritas, los sideritos y los siderolitos, mucho más ricos en elementos metálicos pesados, especialmente hierro y níquel.

 El método indirecto más utilizado para conocer el interior de la Tierra es el método sísmico, que trata de obtener información a partir de las ondas emitidas por un terremoto. Un sismo, seísmo o terremoto es una sacudida brusca del terreno causada por la liberación repentina de la energía elástica acumulada en los bordes de una falla. La energía elástica es el tipo de energía mecánica que poseen los materiales sometidos a un esfuerzo antes de romperse, y una falla es una discontinuidad entre los materiales geológicos que forman el terreno.
La energía liberada en el foco del terremoto se propaga en todas las direcciones mediante ondas materiales de varios tipos. Las características de cada una de esas ondas son de particular interés porque proporcionan información acerca de los materiales que atraviesan.

Del foco sísmico parten dos tipos de ondas, las P o primarias y las S o secundarias. Las P son ondas longitudinales y se transmiten a través de cualquier tipo de medio, mientras que las S son transversales, tienen una velocidad de propagación menor que las S y no se transmiten a través de medios fluidos. Las ondas P y S permiten conocer aspectos fundamentales de los medios a través de los cuales se transmiten:
  •  Los cambios que se producen en las características del medio: cuando las ondas (de cualquier tipo) pasan de un medio a otro de características diferentes sufren un cambio en su velocidad (se refractan). Así se han identificado tres cambios bruscos de propiedades, o discontinuidades, que separan cuatro capas concéntricas, que de fuera a dentro son: corteza, manto, núcleo externo y núcleo interno.
  • Los cambios graduales que ocurren dentro de un medio sin cambio de composición: dentro de cada capa, algunas características cambian gradualmente, lo que se manifiesta en que las ondas no se propagan en línea recta sino siguiendo trayectorias curvas. Esto ha permitido determinar cambios de densidad y fluidez dentro de la estructura del manto.
  • El estado físico de los medios que atraviesan: como las ondas S no se transmiten a través de fluidos, podemos saber, según los tipos de ondas que se reciban en un punto, si éstas han atravesado o no materiales líquidos. De este modo se ha llegado a la conclusión de que el núcleo externo es fluido. Sin embargo, los cambios en la propagación de las ondas P indican que el núcelo interno es sólido, debido a que sus materiales, a pesar de estar a mayor temperatura que los del núcleo externo, están muy comprimidos.

Cuando las ondas P y S alcanzan la superficie del terreno dan lugar a nuevas ondas llamadas superficiales porque solo se transmiten por el suelo, y que son las principales responsables de los daños causados por el terremoto.
El estudio de la propagación de las ondas sísmicas ha permitido elaborar un modelo del interior de la Tierra según el cual nuestro planeta está diferenciado en varias capas. Los cambios en la composición permiten distinguir tres de ellas, corteza, manto y núcleo, mientras que los cambios en el comportamiento de los materiales sometidos a esfuerzos establece otras capas diferentes: litosfera, que comprende la corteza y la capa superior del manto, y que presenta comportamiento rígido (se rompe cuando se le aplica una fuerza), la mesosfera, formada por el resto del manto, y la endosfera, equivalente al núcleo, dividida a su vez en núcleo externo (líquido) y núcleo interno (sólido).
Desde el punto de vista de los fénomenos geológicos, el modelo dinámico resulta mucho más interesante que el basado en la composición. Los aspectos fundamentales de este modelo son que la mesosfera libera grandes cantidades de calor, generado como consecuencia de la desintegración radiactiva de sus materiales. Este calor se transmite hacia la superficie de la Tierra mediante convección ya que, aunque el manto no sea realmente un fluido, presenta un comportamiento plástico, pudiendo deformarse y fluir ante tales cantidades de energía. Para hacernos una idea, podemos visualizar los materiales del manto como si estuvieran formados por plastilina, material evidentemente sólido pero que responde de modo plástico a los esfuerzos. Cuando los materiales calientes que se desplazan desde la mesosfera profunda hacia el exterior transmiten su energía a la Litosfera, ésta responde de forma rígida, rompiéndose en fragmentos llamados placas. Este modelo es, por tanto, la base explicativa de la Tectónica Global.

Los datos más importantes sobre el interior de la Tierra, obtenidos tanto por métodos directos como indirectos, son los que se resumen a continuación:
  • Las rocas más abundantes en el exterior de la Tierra están compuestas por silicatos.
  • Existe una diferencia de densidad entre los materiales continentales y los oceánicos, que refleja una diferencia en su composición: las rocas continentales son graníticas, mientras que las oceánicas son basálticas.
  • Las rocas mantienen su estructura al menos en los primeros kilómetros.
  • La temperatura de los materiales aumenta con la profundidad.
  • El interior de la Tierra es mucho más denso que los materiales que forman las rocas superficiales.
  • La Tierra tiene un campo magnético producido por una masa de metal líquido en movimiento en torno a un núcleo metálico en estado sólido.
  • El interior de la Tierra está estructurado en capas concéntricas con diferente composición y/o propiedades físicas.
  • Los materiales que pueden formar el interior de la Tierra son el resultado de procesos de fusión.
  • Una de las capas internas del planeta, el núcleo externo, se encuentra en estado líquido.