Estudi de l'interior de la Terra
Obtenció de dades sobre l'interior de la Terra
1. Densitat terrestre i anomalies gravimètriques
2. El magnetisme terrestre
3. Temperatura i pressió a l'interior de la Terra.
4. Dades aportades per la geoquímica i els metorits
L'interior de la Terra, amb un radi mitjà de 6.370 quilòmetres, no es pot estudiar d'una forma directa. Els pous i sondejos que s'han fet fins ara no han assolit més que una dotzena de quilòmetres, cosa que ens demostra l'escàs coneixement directe que tenim de l'interior del nostre planeta. Una altra font de coneixements geològics directes són els materials volcànics que provenen com a molt d'unes desenes de quilòmetres de profunditat. En resum, la zona a la qual tenim accés directe és en proporció molt més prima que la pell d'una fruita.
Els grans progressos que han tingut lloc els darrers anys al coneixement de l'interior del planeta han estat possibles mitjançant els mètodes de prospecció geofísica. Aquests es basen en l'observació i la mesura, des de la superfície, dels fenòmens físics que ocorren a l'interior de la Terra, sia de forma natural o provocats artificialment. Les variacions registrades en aquests fenòmens són degudes a la heterogeneitat dels materials i/o de les condicions físiques de les capes que formen el planeta.
Podem distingir quatre tipus de mètodes geofísics:
- Gravimètrics
- Geomagnètics
- Geotèrmics
- Sísmics.
Una altra font d'estudi indirecte de l'estructura de l'interior de la Terra i del seu origen són els meteorits, fragments de matèria sòlida del'espai exterior que són capturats pel camp gravitatori terrestre.
2.1. Densitat terrestre i anomalies gravimètriques
El valor de la densitat terrestre ens proporciona una valuosa informació sobre l'estructura de l'interior de planeta. Sabem que d=m/v i que ambdós valors depenen del radi de la Terra, el qual ja coneixem. El volum es calcula a partir de la fòrmula de l'esfera v=4/3.P.r3 tot tenint en compte les correccions escaients ja que la Terra no és una esfera perfecta. El valor de la massa s'obté a partir de la llei de gravitació universal de Newton . D'aquesta manera podem calcular la densitat total del planeta que resulta ser de 5,51 g/cm3.Tanmateix, en calcular experimentalment la densitat mitjana dels materials de l'escorça terrestre, el valor obtingut és molt més baix, al voltant de 2,8. Això ens permet de suposar que els materials de l'interior de la Terra han d'ésser més densos per poder compensar la baixa densitat de l'escorça i que, per tant, la composició de l'interior de la Terra és heterogènia.
Aquest augment de densitat pot tindre dues causes: composició química de major massa molecular o que el mateix material es troben sotmès a una major compressió. En línies generals se suposa que la densitat augmenta des de la superfície fins el centre de la Terra fins assolir valors pròxims a 14 g/cm3. El mètode sísmic ens permet realitzar una gràfica profunditat-densitat on es pot observar diferències brusques relacionades amb les discontinuïtats sísmiques. ( Veure gràfica)
La gravetat és la "força" (en realitat és un valor d'acceleració) amb què la Terra atrau qualsevol massa. Si el nostre planeta fora esfèric, no sotmés a un moviment de rotació i de composició homogènia, el valor de la gravetat seria el mateix a tot arreu. Però això no és així, ja que sabem que la Terra no és una esfera i que su composició no és uniforme. Si considerem la forma de la Terra com un el·lipsoide de revolució (ja sabem que la Terra no és una esfera perfecta sinó que el seu radi és major a l'equador que als pols), es pot calcular el valor de la gravetat teòrica en qualsevol punt de la seua superfície. Com que la superfície del planeta no és uniforme, cal afegir una sèrie de correccions degudes a la latitud, l'altitud, orografia del punt on mesurem el valor de la gravetat.
Anomalies gravimètriques
Fetes totes aquestes correccions ens trobem, tanmateix, que la medició experimental de la gravetat en un punt determinat acostuma diferir del valor teòric calculat. Aquestes diferències són les anomenades anomalies gravimètriques que poden ser:
* positives (g experimental > g teòrica)
* negatives (g experimental < g teòrica)
* Les anomalies positives indiquen que en profunditat hi ha masses rocoses més denses d'allò que es podia esperar.
* Les negatives indiquen la presència de roques poc denses.
Si tenim en compte que la densitat mitjana de l'escorça és de 2,7 g/cm3 i la del mantell de 3,3g/cm3, s'accepta que les anomalies positives indiquen zones d'escorça prima (o mantell dens més proper de la superfície) i les anomalies negatives una escorça gruixuda.
Una característica general de les anomalies és que presenten valors negatius a les muntanyes i valors positius als oceans. D'aquestes dades es pot deduir que els materials que formen les serralades són poc densos i presenten uns arrels que penetren en un substrat més dens. Els materials de l'escorça oceànica són més densos i prims.
El mapa següent ens marca les anomalies gravimètriques existents a l’extrem SE de la Penísula Ibèrica.
2.2 El magnetisme terrestre
El nostre planeta actua com un gran imant on existeixen dos tipus de camps magnètics: un d'exterior, originat pel Sol, i un altre d'intern causat per l'especial distribució de les capes internes de la Terra composta d'un nucli extern fluïd envoltat d'un nucli extern sòlid.
El camp magnètic de la Terra té l'estructura d'un dipol on el flux magnètic circula de pol nord a pol sud; les línies de força eixen de la Terra pel pol sud magnètic i penetren al seu interior pel pol nord magnètic. Normalment s'accepta que aquest camp magnètic és produït pel moviment convectiu del material del nucli extern on hi hauria una transformació d'energia tèrmica en energia mecànica i aquesta en càrrega elèctrica i en energia magnètica Aquestes cèl·lules convectives que es desplacen pel generen prou càrrega elèctrica per recarregar-se de forma indefinida (dinamo autoinduïda). Aquesta hipòtesi deixa sense explicar dos aspectes importants del camp magnètic terrestre: el seu origen, i les seues inversions.
El paleomagnetisme estudia les característiques del camp magnètic de la Terra en altres èpoques geològiques. En solidificar-se les laves, els minerals magnètics que contenen es queden orientats segons el N magnètic, com a brúixoles fòssils . El camp magnètic de la Terra ha experimentat una sèrie de variacions al llarg de la història geològica de la Terra i fins i tot inversions respecte a la polaritat actual. Els canvis de polaritat són ràpids i de freqüència irregular; es poden distingir períodes de fins 50 milions d'anys amb inversions cada milió d'anys i altres on la polaritat s'estabilitza durant 30 milions d'anys. En parlarem al tema següent.
3. Temperatura i pressió a l'interior de la Terra
La temperatura de l'interior de la Terra augmenta amb la profunditat. Al primers quilòmetres aquest augment és regular i pren el nóm de gradient geotèrmic (3 ºC per 100m). Després, aquest augment minva, perquè si no fos així, al centre de la Terra s'assoliria una temperatura incompatible amb l'estabilitat del planeta.
Les fonts més important del calor intern de la Terra són:
1- La desintegració d'elements radioactius (U 235, U238, K40, etc) presents a l'interior
2- Calor residual produït durant la formació de la Terra
La conseqüència de l'existència d'una font de calor intern és la creació d'un flux de calor devers l'exterior. Aquest transport es fa mitjançant processos de conducció i convecció. Aquesta emissió d'energia tèrmica es distribueix de forma molt irregular.
Fig Moviments de convecció en el mantell terrestre, deixant veure zones més càlidaes d'alò esperat i zones de menos temperatura que l'esperada per a una determinada temperatura
En estudiar aquesta propietat ens trobem amb zones de l'interior de la Terra amb anomalies geotèrmiques , on la temperatura a una determinada profunditat és més diferent el valor esperable. Podem distingir:
* Anomalies geotèrmiques positives (zones calentes). Zones que presenten una temperatura major a l'esperada.
* Anomalies geotèrmiques negatives. Zones que presenten una temperatura menor a l'esperada.
La distribució del flux calorífic a la superfície està estretament lligada a la dinàmica de les plaques litosfèriques. Es presenten fluxos majors a les zones de contacte entre plaques: Les zones de dorsal presenten anomalies positives, mentre que a les zones associades a suducció apareixen anomalies negatives. També podem trobar punts calents en l'interor d'una placa com la zona de les illes de Hawai o la zona del rift africà.
Estudis sobre la pressió
Per entendre l'estat dels materials de l'interior de la Terra hem de fixar-nos també en la pressió. Si volem calcular la pressió d'un determinat punt, hem de suposar que sobre aquest punt gravita una columna de materials, la massa de la qual ve en funció de la profunditat i de la densitat dels materials. Investigadors com Bullen, tot basant-se en dades sísmiques, moments d'inèrcia i densitat s'inclinen per un augment progressiu de la pressió fins el mateix centre de la Terra on assoliria valors superiors als tres milions d'atmosferes. El major problema radica en saber com serà l'estat i estructura de la matèria sotmesa a tan altes pressions. La gran pressió existent en zones profundes de la Terra serà la responsable de que els materials presenten un estat físic sòlid, tot i les altes temperatures a què són sotmesos.
4. Dades aportades per la geoquímica i l'estudi de meteorits
Hem parlat abans, en la història pregeològica de la Terra, de la diferenciació geoquímica terrestre que va originar les diferents capes que composen la Terra. Les temperatures van ser prou elevades per fondre els materials. Aquesta diferenciació va estar regulada no sols per la densitat i pes atòmic en funció d'un gradient gravitacional, sinó per la seua afinitat geoquímica que ve gobernada per la configuració electrònica dels seus àtoms.
Els meteorits que arriben a la Terra també ens poden proporcionar dades interessants sobre la natura d'aquesta i sobre l'origen del Sistema Solar:
Alguns meteorits provenen d'asteroides (protoplanetes) que han generat prou calor per fondre's i per tant no s'han diferenciat. Ens donen una valuosa informació sobre els origens de la Terra i el sistema Solar. Altres meteorits han pogut diferenciar-se en capes de manera semblant a com es creu que ho va fer la Terra. Podem distingir tres classes de meteorits:
-Siderits : Representen el 4% dels meteorits trobats. Són els únics representants dels cossos planetaris metàl·lics. Estan constituïts gairebé en la seua totalitat per un aliatge de Fe-Ni. Elevada densitat (7,9 g/cm3). Representarien el nuclis dels asteroides diferenciats.
-Aerolits o litometeorits. Són els més abundants (95%) Constituïts per silicats i de densitat semblant a la de l'escorça terrestre. Dintre d'aquestos podem incloure les condrites, que presenten unes estructures esferoïdals de pocs mm (còndruls) que poden ser interpretades com a gotes foses que s'originaren en la nebulosa que provocà l'origen dels planetes. Aquest tipus de meteorit correspondria amb les zones més externes dels asteroides amb diferenciació.
-Siderolits. Intermedis entre els anteriors. Són molt poc abundants (1%)
Les semblances i diferències de textura entre els meteorits i les roques terrestres han despertat molt d'interés. El ferro-niquel d'un meteorit presenta una textura cristal·lina, desconeguda a la Terra. Això és pot interpretar amb un refredament molt lent, cosa que pot suggerir que els meteorits ferrosos són fragments trencats de masses originàries majors. Al laboratori també s'han realitzat experiències per determinar les condicions físico-químiques de la seua possible formació. La determinació de l'edat dels meteorits ens ha permés descobrir un alt grau de concordància ja que la majoria daten de fa uns 4500 m.a. (700 milions més que les roques terrestres més antigues conegudes), és a dir, l'edat atribuïda a la formació del Sistema Solar.
L'estudi dels meteorits ens ha permés saber que els primers grans objectes sòlids del Sistema Solar es formaren ràpidament per l'agregació de silicats ferro-magnèsics amb niquel-ferro i altres elements menys abundants (entre ells alguns de natura orgànica). Aquests cossos tenien una grandària comparable als asteroides grans. En alguns es va produir una fusió i recristal·lització seguides d'una diferenciació en un nucli metàl·lic. Posteriors col·lisions van fragmentar-los. La suposició que els planetes terrestres (interiors) es van crear de la mateixa substància que els meteorits ha recolzat la conclusió de que el nucli terrestre està compost per Fe-Ni i el mantell per silicats ferro-magnèsics.
5. Mètodes sísmics
La major part de les dades que tenim sobre l'interior del nostre planeta han estat obtingudes gràcies a l'estudi de les ones sísmiques generades als terratrèmols o explosions provocades artificialment.
Un terretrèmol és un moviment brusc dels materials terrestres com a resposta d'una tensió acumulada. L'energia generada per un terratrèmol es transmet per l'interior i la superfície del planeta mitjançant una sèrie de vibracions anomenades ones sísmiques. Aquestes ones poden travessar varies vegades la Terra, rebotar en el seu interior (reflexió) i desviar la seua trajectòria (refracció).
Podem distingir tres tipus d'ones:
* Les ones P, longitudinals o primàries: són les primeres en ser registrades pels sismògrafs; són anàlogues a les ones sonores de l'aire. En passar l'ona P, la roca es comprimeix i s'expandeix únicament en la direcció de l'ona. La propagació d'aquestes ones depén de la compressibilitat del medi; com els cossos sòlids i líquids es poden comprimir, aquestes ones viatgen a través de les zones sòlides i fluides de la Terra .
* Les ones S, transversals o secundàries són més lentes que les anteriors i vibren en sentit perpendicular moviment ondulatori (com fa la llum). El comportament d'aquestes ones depén de l'elasticitat del medi, per la qual cosa únicament poden travessar masses sòlides, ja que els fluids no presenten propietats elàstiques.
* Les ones L o superficials, que viatgen molt lentament per superfície (fins a 30 Km) . Es transmeten com les ones que es generen en un estany quan hi llancem una pedra. Aquestes ones provoquen moviments terrestres superficials que són els responsables de les grans catàstrofes sísmiques No s'utilitzen per al coneixement de l'interior de la Terra. Reben els noms d'ones Rayleigh i Lowe.
Mecanisme transmissió de les ones sísmiques P i S
La velocitat i la direcció de les ones sísmiques depenen dels materials que travessen.
* De forma semblant a la llum, en passar d'un medi a un altre de característiques diferents, les ones sísmiques patiran reflexions o refraccions.
* Les ones es reflexen o refracten quan es produeix un canvi sobtat en la seua velocitat de propagació, la qual depén de la natura dels materials que travessen.
La velocitat de les ones sísmiques depén dels factors següents
* La velocitat de propagació dels dos tipus d'ones depén de la rigidesa del medi (m). A major rigidesa, més fixes són les posicions que tenen les partícules, posicions que es recuperaran amb facilitat, sense absorbir massa energia, en cessar les vibracions.
* En el fluids ( m=0) poden transmetre's les ones P, perquè aquestes també depenen de la compressibilitat, però no les ones S no.
Es pot saber també l'estat físic del materials de l'interior de la Terra. Molt prompte els geòlegs se'n van adonar que a la part del globus terràqui oposada al focus d'un terratrèmol hi havia una extensa regió on no es rebien les ones S i altres on no se'n rebia de cap tipus (zona d'ombra). Això va confirmar l'existència d'una zona de l'interior de la Terra en estat líquid (nucli exterior). La sismologia també ens informa que la part més interna de la Terra (nucli intern, en estat sòlid) ja que es comporta de forma diferent a com ho fa la resta del nucli (es reben ones afeblides en la zona d'ombra, es reben ones P endarrerides en la zona de les antípodes al focus, etc).Per regla general, cada tipus de roca té unes propietats molt diferents i, per això, les ones sísmiques varien contínuament de velocitat en la seua trajectòria a través de la Terra. Aquests canvis poden ser detectats pels sismògrafs i fan que la trajectòria de l'ona es curve canvie la seua direcció.
Cadascuna d'aquestes zones diferents que travessen les ones sísmiques tindrà una composició i/o característiques físiques pròpies. Les discontinuïtats sísmiques són zones de l'interior del planeta on les ones sísmiques experimenten canvis inportants en la seua velocitat i són sotmeses a reflexions i refraccions, com a resposta d'un canvi sobtat en l'estructura i composició dels materials que travessen.
Principals discontinuïtats sísmiques:
* Mohorovicic (o simplement Moho), situada entre els 10 i 60 Km; separa l'escorça del mantell. Pren el nom del geòleg croat Andrija Mohorovicic que la descobrí el 1909
* Gutenberg, a 2.900 Km. Separa el mantell del nucli. Pren el nom del geòleg alemany Beno Gutenberg que la descobrí el 1914
* Wiechert o Lehman, a 5.100 Km. Separa el nuci exterior de l'interior
)
