GEOLOGÍA COMO CIENCIA DE LA TIERRA
Definición:
Las ciencias de la Tierra o geociencias son las disciplinas de las ciencias naturales que estudian la estructura, morfología, evolución y dinámica del planeta Tierra. Forman también parte de las ciencias planetarias, las cuales se ocupan del estudio de los planetas del Sistema Solar.
Particularidades respecto a otras ciencias:
Las ciencias de la Tierra abarcan el estudio temporal y espacial del planeta desde un punto de vista físico, incluyendo su interacción con los seres vivos. Las variadas escalas espacio-temporales de la estructura y la historia de la Tierra hacen que los procesos que en ella tienen lugar sean resultado de una compleja interacción entre procesos de distintas escalas espaciales (desde el milímetro hasta los miles de kilómetros) y escalas temporales que abarcan desde las centésimas de segundo hasta los miles de millones de años. Un ejemplo de esta complejidad es el distinto comportamiento mecánico que algunas rocas tienen en función de los procesos que se estudien: mientras las rocas que componen el manto superior responden elásticamente al paso de las ondas sísmicas (con periodos típicos de fracciones de segundo), responden como un fluido en las escalas de tiempo de la tectónica de placas. Otro ejemplo del amplio abanico de escalas temporales es el cambio climático, que se produce en periodos de entre millones de años a unos pocos años, donde se confunde con las escalas propias del cambio meteorológico.
Como el objeto de estudio (la Tierra) no es manipulable y la obtención de datos directos es limitada, las técnicas de simulación análoga o computacional son de mucha utilidad.
Objetivos e importancia de la Geología:
Geología, la ciencia que persigue la comprensión del planeta Tierra.
• Geología física – estudia los materiales que componen la tierra y busca comprender los diferentes procesos que actúan debajo y encima de la superficie terrestre.
• Geología histórica – busca comprender el origen de la Tierra y su evolución a lo largo del tiempo.
La Tierra es un planeta dinámico, a diferencia de la Luna cuya superficie es la misma que hace 1.000 millones de años.
• La dinámica terrestre es doble: externa e interna. Modifica tanto el exterior del planeta (paisaje), como las condiciones y materiales del interior.
La Geología, el hombre y el medio ambiente:
• Existen numerosas relaciones importantes entre la humanidad y el entorno natural.
• Los problemas y cuestiones tratados por la Geología incluyen.
Los procesos geológicos, los riesgos naturales, los recursos, y las cuestiones ambientales.
Algunas reseñas históricas acerca de la Geología.
La naturaleza de nuestro planeta ha sido objeto de estudio durante siglos:
• Catastrofismo (Siglo XVI, James Ussher, primado anglicano de Irlanda, asignó a la Tierra 4004 a.C).
• Uniformismo y el nacimiento de la Geología actual (finalesde XVII con James Hutton: “El presente es la llave del pasado”).
Naturaleza de la investigación científica en Geología
• La ciencia se basa en la suposición de que el mundo se comporta de una manera constante y predecible.
• El objetivo general de la ciencia es descubrir los modelos subyacentes en la naturaleza y usar ese conocimiento para hacer predicciones.
• Los científicos recogen datos científicos a través de la observación y la medida.
Naturaleza de la investigación científica en Geología
Se explica cómo o porqué las cosas ocurren a través de:
• Hipótesis – Una explicación provisional (o no probada).
• Teoría – Una visión bien comprobada y ampliamente aceptada que, en opinión de la comunidad científica, es la que mejor explica ciertos hechos observables.
Tiempo Astronómico y el Sistema Solar:
El sistema astronómico de unidades, llamado formalmente «Sistema de constantes astronómicas de la IAU (1976)» (en inglés, IAU (1976) System of Astronomical Constants, es un sistema de unidades desarrollado para su uso en astronomía. Fue adoptado por la Unión Astronómica Internacional (UAI) en 1976,1y ha sido ligeramente actualizado desde entonces.
El sistema fue desarrollado debido a las dificultades en la medición y expresión de los datos astronómicos en el Sistema Internacional de Unidades (unidades SI), al tratar con magnitudes muy grandes,. En particular, hay una enorme cantidad de datos muy precisos relativos a la posición de los objetos dentro del sistema solarque no pueden expresarse, o ser tratados convenientemente, en unidades del SI. A través de una serie de modificaciones, el sistema de unidades astronómico reconoce ahora explícitamente las consecuencias de la relatividad general, que es un complemento necesario para el Sistema Internacional de Unidades, a fin de tratar con precisión los datos astronómicos.
El sistema de unidades astronómico es un sistema tridimensional, en el que están definidas las unidades de longitud, masa y tiempo. Las constantes astronómicasasociadas también fijan los distintos sistemas de referencia que son necesarios para informar sobre las observaciones. El sistema es un sistema convencional, en el que ni la unidad de longitud, ni la unidad de masa son verdaderas constantes físicas, y hay al menos tres medidas diferentes de tiempo.
- Unidad astronómica de tiempo: día, definido como 86.400 segundos. 365,25 días constituye un año juliano.1 En astronomía se utiliza el símbolo «D» para referirse a esta unidad.
- Unidad astronómica de masa: masa solar.1 En astronomía se utiliza a menudo el símbolo «S» para referirse a esta unidad, aunque también es común «M☉. La masa solar (M⊙), 1,98892 × 1030 kg, es una forma estándar para expresar la masa en astronomía, utilizado para describir las masas de otras estrellas y galaxias. Es igual a la masa del Sol, aproximadamente 333.000 veces la masa de la Tierra, o 1.048 veces la masa de Júpiter.
| Unidad | Distancia | Equivalente en km | Rango astronómico |
|---|---|---|---|
| Kilómetro | 1,0 | Distancias a satélitesartificiales | |
| segundo luz | 299 792,458 km | 2,997 x 105 | |
| distancia lunar | 384.400 km | 3,84 x 105 | Distancias a objetos próximos a la Tierra |
| radio solar | 110 radios terrestres (696 000 km) | 6,96 x 105 | |
| minuto luz | 17 987 547,480 km | 17,987 x 106 | |
| Gigámetro | 1.000.000.000 (Mil millones) de metros | 1,0 x 106 | |
| unidad astronómica (U.A.) o radio de la órbita terrestre | 149.597.870,700 km | 1,495 x 108 | Distancias planetarias |
| Spat (obsoleta, de Spatium) | 1.000 millones km | 1,0 x 109 | |
| año luz | 9.460.800.000.000 km (~9,46 billones de km) | 9,4608 x 1012 | Distancias a estrellas cercanas |
| pársec | distancia a la que una unidad astronómica subtiende un ángulo de un segundo de arco | 30,84 x 1012 | Distancias a estrellas cercanas |
| siriómetro | 1 millón de U.A. | 1,495 x 1014 | |
| Vega | 240 billones de km | 2,40 x 1014 | |
| kiloparsec | 1.000 parsecs | 30,84 x 1015 | Distancias a escala galáctica |
| megaparsec | 1 millón de pársecs (30,84 trillones de km) | 30,84 x 1018 | Distancias a galaxias cercanas |
| gigaparsec | 1 trillón de pársecs (30,84 quintillones de km) | 30,84 x 1030 | |
| Giga megapársec | 1 millón de gigapársecs (30,84 sextillones de km) | 30,84 x 1036 |
Los planetas giran alrededor del Sol. No tienen luz propia, sino que reflejan la luz solar.
Los planetas tienen diversos movimientos. Los más importantes son dos: el de rotación y el de translación. Por el de rotación, giran sobre sí mismos alrededor del eje. Ésto determina la duración del día del planeta. Por el detranslación, los planetas describen órbitas alrededor del Sol. Cada órbita es el año del planeta. Cada planeta tarda un tiempo diferente para completarla. Cuanto más lejos, más tiempo. Giran casi en el mismo plano, excepto Plutón*, que tiene la órbita más inclinada, excéntrica y alargada.
| Planetas | Radio ecuatorial (km) | Distancia al Sol (km.) | Lunas | Periodo de Rotación | Órbita | Inclinación del eje (º) | Inclinación orbital (º) |
| Mercurio | 2.440 | 57.910.000 | 0 | 58,6 dias | 87,97 dias | 0,00 | 7,00 |
| Venus | 6.052 | 108.200.000 | 0 | -243 dias | 224,7 dias | 177,36 | 3,39 |
| La Tierra | 6.378 | 149.600.000 | 1 | 23,93 horas | 365,256 dias | 23,45 | 0,00 |
| Marte | 3.397 | 227.940.000 | 2 | 24,62 horas | 686,98 dias | 25,19 | 1,85 |
| Júpiter | 71.492 | 778.330.000 | 63 | 9,84 horas | 11,86 años | 3,13 | 1,31 |
| Saturno | 60.268 | 1.429.400.000 | 33 | 10,23 horas | 29,46 años | 25,33 | 2,49 |
| Urano | 25.559. | 2.870.990.000 | 27 | 17,9 horas | 84,01 años | 97,86 | 0,77 |
| Neptuno | 24.746 | 4.504.300.000 | 13 | 16,11 horas | 164,8 años | 28,31 | 1,77 |
| Plutón (*) | 1.160 | 5.913.520.000 | 1 | -6,39 días | 248,54 años | 122,72 | 17,15 |
Forma y tamaño de los planetas
Los planetas tienen forma casi esférica, como una pelota un poco aplanada por los polos.
Los materiales compactos están en el núcleo. Los gases, si hay, forman una atmosfera sobre la superficie. Mercurio, Venus, la Tierra, Marte son planetas pequeños y rocosos, con densidad alta. Tienen un movimiento de rotación lento, pocas lunas (o ninguna) y forma bastante redonda. Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, los gigantes gaseosos, son enormes y ligeros, hechos de gas y hielo. Estos planetas giran deprisa y tienen muchos satélites, más abultamiento ecuatorial y anillos.
Formación de los planetas
Los planetas se formaron hace unos 4.650 millones de años, al mismo tiempo que el Sol.
En general, los materiales ligeros que no se quedaron atrapados en el Sol se alejaron más que los pesados. En la nube de gas y polvo original, que giraba formando espirales, había zonas más densas, proyectos de lo que más tarde formarían los planetas.
La gravedad y las colisiones llevaron más materia a estas zonas y el movimiento rotatorio las redondeó. Después, los materiales y las fuerzas de cada planeta se fueron reajustando, y todavía lo hacen. Los planetas y todo el Sistema Solar continúan cambiando de aspecto. Sin prisa, pero sin pausa.
Tiempo Geologico:
El tiempo geológico del planeta se divide y distribuye en intervalos de tiempo caracterizados por acontecimientos importantes de la historia de la Tierra y de lavida. Como la edad de la Tierra es de aproximadamente 4600 millones de años, cuando se habla de tiempo geológico suele expresarse casi siempre en millones de años y siempre referidos a «antes del presente».
Las unidades usadas para dividir el tiempo geológico son de dos tipos: las referidas a tiempo relativo (unidades geocronológicas), que ordenan cronológicamente los acontecimientos geológicos, y las referidas a tiempo absoluto (unidades geocronométricas), expresadas en valores absolutos, en millones de años (Ma).
Unidades geocronológicas:
| Geocronológicas (tiempo) | Cronoestratigráficas (cuerpos de roca) |
|---|---|
Las unidades geocronológicas son unidades de tiempo basadas en las unidades cronoestratigráficas. Las unidades cronoestratigráficas dividen las rocas de la Tierra ordenadas cronológicamente, reflejando los principales eventos geológicos, biológicos y climáticos que han ido sucediéndose a lo largo del tiempo. Los nombres de las unidades cronoestratigráficas comparten el mismo nombre con las equivalentes geocronológicas, salvo que los nombres derivados de su posición estratigráfica relativa -inferior, medio y superior- se trasladan como temprano, medio y tardío. Por ejemplo la serie Cretácico superior es equivalente a la época Cretácico tardío.
Las unidades geocronológicas se corresponden una a una con las cronoestratigráficas y se ordenan, en orden descendente de jerarquía, de la siguiente manera: eón, era, periodo, época,edad y cron.2
Unidades geocronométricas:
Desde que se han podido datar las rocas con valores absolutos (en cifras expresadas en millones de años), se han ido ajustando con cierta precisión las dataciones de los límites de las unidades geocronológicas, dependiendo de los métodos usados. Todas las unidades geocronológicas -y por tanto sus equivalentes cronoestratigráficas- para las que han podido precisarse sus límites pasan a ser también unidades geocronométricas.3 En la práctica no suele expresarse el carácter geocronométrico de estas unidades, dando a entender erróneamente que el valor en años corresponde a las unidades geocronológicas.
Para los tiempos precámbricos la mayoría de las unidades son exclusivamente geocronométricas, y se han definido por límites más o menos arbitrarios de tiempo acordados internacionalmente.
Métodos de datación:
Los métodos pueden ser relativos, que recurren a la ordenación en el tiempo de los materiales según su posición en el medio terrestre, por el principio de la superposición de estratos, o absolutos, basados en la datación por isótopos radiactivos, que dan medidas en millones de años.
Escala del tiempo geológico:
La escala de tiempo geológico es el marco de referencia para representar los eventos de la Historia de la Tierra y de la vida ordenados cronológicamente. Establece divisiones y subdivisiones de las rocas según su edad relativa y del tiempo absoluto transcurrido desde la formación de la Tierra hasta la actualidad.
Los siguientes diagramas muestran la duración a escala de las principales divisiones. El primer y segundo cronograma representan, cada uno, subsecciones de la parte marcada con asteriscos en el que tienen inmediatamente debajo. El tercero y último representa todo el tiempo geológico, desde el origen de Tierra hasta la actualidad.
Estructura Interna de la Tierra: Corteza – Manto – Núcleo:
La Geosfera es la capa del planeta Tierra formada por material rocoso (sólido o fluido), sin tener en cuenta lahidrosfera ni la atmósfera. Nuestro planeta, como otros planetas terrestres (planetas cuyo volumen está ocupado principalmente de material rocoso), está dividido en capas de densidad creciente. La Tierra tiene una corteza externa de silicatos solidificados, un manto viscoso, y un núcleo con otras dos capas, una externa sólidamente, mucho más fluida que el manto y una interna sólida. Muchas de las rocas que hoy forman parte de la corteza se formaron hace menos de 100 millones (1×108) de años. Sin embargo, las formaciones minerales más antiguas conocidas tienen 4.400 millones (44×108) de años, lo que nos indica que, al menos, el planeta ha tenido una corteza sólida desde entonces.1
Gran parte de nuestro conocimiento acerca del interior de la Tierra ha sido inferido de otras observaciones. Por ejemplo, la fuerza de la gravedad es una medida de la masa terrestre. Después de conocer el volumen del planeta, se puede calcular su densidad. El cálculo de la masa y volumen de las rocas de la superficie, y de las masas de agua, nos permiten estimar la densidad de la capa externa. La masa que no está en la atmósfera o en la corteza debe encontrarse en las capas internas.
Estructura:
La estructura de la tierra puede establecerse según dos criterios diferentes. Según su composición química, el planeta puede dividirse en corteza, manto y núcleo(externo e interno); según sus propiedades físicas se definen la litosfera, la astenosfera, la mesosfera y el núcleo (externo e interno).2
Las capas se encuentran a las siguientes profundidades:3
| Capa | Profundidad (km) |
| Litosfera (varía localmente entre 5 y 200 km) | 0 – 60 |
| ... Corteza (varía localmente entre 5 y 70 km) | 0 – 35 |
| Manto | 35 – 2.890 |
| Manto superior | 35 – 660 |
| Astenosfera | 100 – 200 |
| Manto inferior (Mesosfera) | 660 – 2.890 |
| Núcleo externo | 2.890 – 5.100 |
| Núcleo interno | 5.100 – 6.378 |
La división de la tierra en capas ha sido determinada indirectamente utilizando el tiempo que tardan en viajar las ondas sísmicas reflejadas y refractadas, creadas por terremotos. Las ondas transversales (S, o secundarias) no pueden atravesar el núcleo, ya que necesitan un material viscoso o elástico para propagarse, mientras que la velocidad de propagación es diferente en las demás capas. Los cambios en dicha velocidad producen una refracción debido a la Ley de Snell. Las reflexiones están causadas por un gran incremento en la velocidad sísmica (velocidad de propagación) y son parecidos a la luz reflejada en un espejo.
Capas definidas por su composición
Corteza:
La corteza terrestre es una capa comparativamente fina; su grosor oscila entre 11 km en las dorsales oceánicasy 70 km en las grandes cordilleras terrestres como los Andes y el Himalaya.2
Los fondos de las grandes cuencas oceánicas están formados por la corteza oceánica, con un espesor medio de 7 km; está compuesta por rocas máficas (silicatos de hierro y magnesio) con una densidad media de 3,0 g/cm3.
Los continentes están formados por la corteza continental, que está compuesta por rocas félsicas (silicatos desodio, potasio y aluminio), más ligeras, con una densidad media de 2,7 g/cm3.
La frontera entre corteza y manto se manifiesta en dos fenómenos físicos. En primer lugar, hay una discontinuidad en la velocidad sísmica, que se conoce como la Discontinuidad de Mohorovicic, o "Moho". Se cree que este fenómeno es debido a un cambio en la composición de las rocas, de unas que contienenfeldespatos plagioclásicos (situadas en la parte superior) a otras que no poseen feldespatos (en la parte inferior). En segundo lugar, existe una discontinuidad química entre cúmulos ultramáficos y harzburgitastectonizadas, que se ha observado en partes profundas de la corteza oceánica que han sido obducidas dentro de la corteza continental y conservadas como secuencias ofiolíticas.
Manto:
El manto terrestre se extiende hasta una profundidad de 2.890 km, lo que le convierte en la capa más grande del planeta. La presión, en la parte inferior del manto, es de unos 140 GPa (1,4 M atm). El manto está compuesto por rocas silíceas, más ricas en hierro y magnesio que la corteza. Las grandes temperaturas hacen que los materiales silíceos sean lo suficientemente dúctiles como para fluir, aunque en escalas temporales muy grandes. La convección del manto es responsable, en la superficie, del movimiento de las placas tectónicas. Como el punto de fusión y la viscosidad de una sustancia dependen de la presión a la que esté sometida, la parte inferior del manto se mueve con mayor dificultad que el manto superior, aunque también los cambios químicos pueden tener importancia en este fenómeno. La viscosidad del manto varía entre 1021 y 1024 Pa·s.4 Como comparación, la viscosidad del agua es aproximadamente 10-3 Pa.s, lo que ilustra la lentitud con la que se mueve el manto.
¿Por qué es sólido el núcleo interno, líquido el externo, y semisólido el manto? La respuesta depende tanto de los puntos de fusión de las diferentes capas (núcleo de hierro-níquel, manto, y corteza de silicatos) como del incremento de la temperatura y presión conforme nos movemos hacia el centro de la Tierra. En la superficie, tanto las aleaciones de hierro-níquel como los silicatos están suficientemente fríos como para ser sólidos. En el manto superior, los silicatos son normalmente sólidos (aunque hay puntos locales donde están derretidos), pero como están bajo condiciones de alta temperatura y relativamente poca presión, las rocas en el manto superior tienen una viscosidad relativamente baja. En contraste, el manto inferior está sometido a una presión mucho mayor, lo que hace que tenga una mayor viscosidad en comparación con el manto superior. El núcleo externo, formado por hierro y níquel, es líquido a pesar de la presión porque tiene un punto de fusión menor que los silicatos del manto. El núcleo interno, por su parte, es sólido debido a la enorme presión que hay en el centro del planeta.
Núcleo:
La densidad media de la Tierra es 5.515 kg/m3. Esta cifra lo convierte en el planeta más denso del sistema solar. Si consideramos que la densidad media de la corteza es aproximadamente 3.000 kg/m3, debemos asumir que el núcleo terrestre debe estar compuesto de materiales más densos. Los estudios sismológicos han aportado más evidencias sobre la densidad del núcleo. En sus primeras fases, hace unos 4.500 millones de años, los materiales más densos, derretidos, se habrían hundido hacia el núcleo en un proceso llamado diferenciación planetaria, mientras que otros menos densos habrían migrado hacia la corteza. Como resultado de este proceso, el núcleo está compuesto ampliamente de hierro (Fe)(80%), junto con níquel (Ni) y varios elementos más ligeros. Otros elementos más densos, como el plomo (Pb) o el uranio (U) son muy raros, o permanecieron en la superficie unidos a otros elementos más ligeros.
Diversas mediciones sísmicas muestran que el núcleo está compuesto de dos partes, una interna sólida de 1.220 km de radio y una capa externa, semisólida que llega hasta los 3.400 km. El núcleo interno sólido fue descubierto en 1936 por Inge Lehmann y se cree de forma más o menos unánime que está compuesto de hierro con algo de níquel. Algunos científicos creen que el núcleo interno podría estar en forma de un cristal de hierro.5 6
El núcleo externo rodea al interno y se cree que está compuesto por una mezcla de hierro, níquel y otros elementos más ligeros. Recientes propuestas sugieren que la parte más interna del núcleo podría estar enriquecida con elementos muy pesados, con mayor número atómico que el cesio (Cs)(trans-Cesio, elementos con número atómico mayor de 55). Esto incluiría oro (Au), mercurio (Hg) y uranio (U).7
Se aceptaba, de manera general, que los movimientos de convección en el núcleo externo, combinados con el movimiento provocado por la rotación terrestre (efecto Coriolis), son responsables del campo magnético terrestre, mediante un proceso descrito por la hipótesis de la dínamo. El núcleo interno está demasiado caliente para mantener un campo magnético permanente (ver temperatura de Curie) pero probablemente estabilice el creado por el núcleo externo. Pruebas recientes sugieren que el núcleo interno podría rotar ligeramente más rápido que el resto del planeta.8 En agosto de 2005 un grupo de geofísicos publicaron, en la revista Science que, de acuerdo con sus cálculos, el núcleo interno rota aproximadamente entre 0,3 y 0,5 grados más al año que la corteza.9 10 Las últimas teorías científicas explican el gradiente de temperatura de la Tierra como una combinación del calor remanente de la formación del planeta, calor producido por la desintegración de elementos radiactivos y el enfriamiento del núcleo interno.
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