La estructura interna de la Tierra se refiere a la distribución del interior de la Tierra en envolturas anidadas: principalmente la corteza , manto y núcleo terrestre , según el modelo geológico actual, que intenta describir sus propiedades y comportamientos durante los tiempos geológicos.
Estas capas están delimitadas por discontinuidades , que se pueden identificar mediante sismología . Esto hizo posible determinar el estado de la materia a profundidades inaccesibles.
Esta constitución puede entenderse remontándose a la formación de la Tierra por acreción de planetesimales , de los cuales los meteoritos primitivos, o condritas , constituyen la memoria. Posteriormente, las diferentes capas se colocaron más o menos gradualmente bajo la influencia de diversos parámetros físicos, como la densidad y la reología de las distintas fases que constituyen las materias primas, así como las afinidades químicas de los elementos por las distintas fases minerales. , c es decir, diferenciación química .
La corteza terrestre representa aproximadamente el 1,5% del volumen de la Tierra sólida, 4,4 ‰ de la masa de la Tierra y 6,5 ‰ de la masa de silicato de la Tierra (Tierra sin el núcleo metálico).
corteza continentalLa corteza continental (1) es sólida, principalmente granítica y cubierta en algunos lugares por rocas sedimentarias. Es más gruesa que la corteza oceánica (de 30 km a 100 km bajo cordilleras).
Corteza oceánicaLa corteza oceánica (2) es sólida y está compuesta principalmente por rocas basálticas . Relativamente bien (unos 5 km).
AbrigoEl manto total de la Tierra representa el 84% del volumen de la Tierra. La discontinuidad de Mohorovicic (14) marca la transición entre la corteza y el manto.
El manto de la tierra es menos "rígido" que las otras capas, sin ser líquido (como pueden sugerir los flujos de lava ). Para dar una idea, la viscosidad del manto de la roca de la que está hecha es comparable a la viscosidad del hielo (como la que fluye en los glaciares) para el agua.
Sin embargo, el pelaje se mantiene fuerte. De hecho, a grandes profundidades del manto, el efecto de la presión (que mantiene el estado sólido) es mayor que el efecto de la temperatura (que provoca la fusión).
Por otro lado, cuando los efectos se aplican en la dirección opuesta, por ejemplo durante un ascenso suficientemente rápido, los materiales del manto se elevan (y por lo tanto se despresurizan) más rápido de lo que permite el equilibrio térmico por difusión del calor transportado: esto se denomina ascenso adiabático . Por lo tanto, el material puede cruzar su punto de fusión inicial y comenzar a dar lugar a un magma primario. Esto ocurre directamente sobre las crestas a una profundidad de unos 100 km.
Capa superiorEl manto superior (4) es menos viscoso y más dúctil que el manto inferior: las limitaciones físicas que prevalecen allí lo hacen parcialmente plástico . Está formado principalmente por rocas como la peridotita .
Manto inferiorEl manto inferior (6) tiene propiedades sólidas en escalas de tiempo inferiores a un año y plástico en escalas de tiempo superiores a un siglo.
En el manto inferior, las células de convección del manto (10) son materia en movimiento lento. De hecho, la capa es el asiento de las corrientes de convección que transfieren la mayor parte de la energía térmica del núcleo de la Tierra a la superficie. Estas corrientes provocan la deriva continental , pero sus características precisas (velocidad, amplitud, ubicación) aún no se conocen bien.
CentroEl núcleo, que se puede distinguir como núcleo externo e interno, representa el 15% del volumen terrestre. La discontinuidad de Gutenberg (13) marca la transición entre el manto y el núcleo.
Núcleo externoEl núcleo exterior (8) es líquido. Se compone esencialmente de 80-85% de hierro, aproximadamente 10-12% de un elemento ligero aún no determinado entre azufre, oxígeno, silicio y carbono (o una mezcla de los cuatro), y finalmente del orden del 5% de níquel. Su viscosidad se estima entre 1 y 100 veces la del agua, su temperatura promedio alcanza los 4000 grados centígrados y su densidad 10.
Esta enorme cantidad de metal fundido se agita por convección. Esta convección es principalmente térmica (enfriamiento secular del planeta), y en una menor parte debido a la composición del núcleo (separación, desmezclado de las fases ).
Los movimientos del núcleo externo interactúan con los movimientos de la Tierra: principalmente su rotación diaria , pero también en una escala de tiempo más larga su precesión .
La naturaleza conductora del hierro permite el desarrollo de corrientes eléctricas variables que dan lugar a campos magnéticos , que fortalecen estas corrientes, creando así un efecto dinamo , al sostenerse entre sí. Así explicamos que el núcleo líquido está en el origen del campo magnético terrestre . La fuente de energía necesaria para el mantenimiento de esta dínamo reside probablemente en el calor latente de cristalización de la semilla.
Núcleo centralEl núcleo interno (9), también llamado semilla, es una bola sólida. Es esencialmente metálico (aproximadamente 80% de aleaciones de hierro y 20% de níquel) y se forma por cristalización gradual del núcleo exterior. La presión, que es de 3,5 millones de bares (350 gigapascales), la mantiene en estado sólido a pesar de una temperatura superior a 6000 ° C y una densidad de aproximadamente 13. La discontinuidad de Lehmann marca la transición entre el núcleo externo y el núcleo interno.
El núcleo interno sigue siendo un tema activo de investigación geológica. Diferentes observaciones sugieren que el núcleo interno está en movimiento. Su naturaleza exacta permanece abierta a debate.
La litosfera (11) está formada por la corteza y parte del manto superior. Se subdivide en placas tectónicas o litosféricas. El límite inferior de la litosfera se encuentra a una profundidad de entre 100 y 200 kilómetros, en el límite donde las peridotitas se acercan a su punto de fusión. Incluye la discontinuidad de Mohorovicic (14).
AstenosferaLa astenosfera (12) es el área debajo de la litosfera.
Incluido en la astenosfera, en la base de la litosfera, es una zona llamada LVZ ( Zona de Baja Velocidad ) donde hay una disminución de la velocidad y una marcada atenuación de la P y S ondas sísmicas . Este fenómeno se debe a la fusión parcial de las peridotitas que da como resultado una mayor fluidez. LVZ generalmente no está presente debajo de las raíces de las cadenas montañosas en la corteza continental. Algunos geólogos incluyen LVZ en la litosfera.
Zona de subduccionUna zona de subducción (3) es una placa que se hunde en el manto, a veces hasta varios cientos de kilómetros. Es el sitio de actividad sísmica y volcánica.
Puntos calientesEl vulcanismo denominado “punto caliente” (5) es el vulcanismo activo más profundo . Se trata de volcanes cuyo magma proviene de las profundidades del manto cerca del límite con el núcleo líquido. Estos volcanes, por tanto, no estarían ligados a las placas tectónicas y, por tanto, al no seguir los movimientos de la corteza terrestre, quedarían casi inmóviles en la superficie del globo y formarían los archipiélagos de islas como la de Tahití .
El vulcanismo de puntos calientes es producido por una columna de material más cálido (7) que, partiendo del límite con el núcleo, se derrite parcialmente cuando llega cerca de la superficie de la Tierra.
Sobre | Profundidad km |
Densidad g / cm 3 |
Petrografía dominante | Elementos químicos |
---|---|---|---|---|
Corteza oceánica continental |
0 - 35 0 - 10 |
2,7 - 3,0 2,9 - 3,2 |
Granito y gneis Basalto, gabro y peridotita |
Si y Al Si, Al y Mg |
Zona de transición del manto litosférico superior y la astenosfera |
35/10 - 670 35/10 - 400 400 - 670 |
3.4 - 4.4 |
Olivino , Piroxeno y Granate Wadsleyita → Ringwoodita y Granate |
Si, Mg y Ca |
Manto inferior | 670 - 2890 | 4,4 - 5,6 | Perovskita y ferropericlasa | Si, Mg, Fe y Ca |
Núcleo externo | 2890 - 5100 | 9,9 - 12,2 | - | Fe, Ni y S (estado líquido) |
Núcleo central | 5100 - 6378 | 12,8 - 13,1 | - | Fe, Ni y S (estado sólido) |
El calor interno de la Tierra es producido por la radiactividad natural de las rocas por la desintegración del uranio , torio y potasio . Los estudios estiman que la contribución de la radiactividad de la corteza y el manto representa aproximadamente la mitad de la energía total liberada, estimándose que el calor primordial transmitido desde el núcleo de la Tierra al manto es del 10 y hasta el 20%.
A nivel mundial, la temperatura aumenta con la proximidad al centro de la Tierra . A título indicativo, varía entre 1100 ° C en la base de la corteza continental y probablemente 5100 ° C en el núcleo.
Las temperaturas no se pueden medir rigurosamente: son aproximadas, el margen de error aumenta con la profundidad.
Desde una profundidad de 2.900 km, donde la presión comienza a superar el millón de atmósferas, o 100 Gigapascales, el calor interno juega al menos dos papeles principales:
Utilizando los registros de varios sismógrafos , determinamos experimentalmente después de un terremoto la posición de su epicentro con la mayor precisión posible. Las vibraciones que luego se propagan por todo el globo se registran de manera similar.
Estos fenómenos ondulatorios están sujetos a leyes físicas como la reflexión o la refracción . Por analogía, las ondas sísmicas "se comportan" como rayos de luz. Así, aplicando las leyes de refracción de Snell-Descartes , deducimos que no todos se mueven a la misma velocidad dependiendo del medio por el que pasen.
El examen detenido de las curvas del tiempo tomadas según la distancia recorrida por las ondas permite evaluar el contenido de la Tierra: una onda irá más lentamente en un material más blando ( menor densidad ), y más rápidamente en un material más blando ( menor densidad ). más material duro ( densidad más alta).
Tipos de olasCabe señalar que las ondas estudiadas en la tomografía sísmica son las ondas de fondo que atraviesan el globo terrestre en todas las direcciones. Las ondas superficiales, que causan daños a las construcciones humanas, se propagan solo en la corteza y no dan información sobre las capas profundas.
Las ondas son de dos tipos: P y S. Ciertas ondas llegan rápidamente: son las ondas P (como la Primera); otras se retrasan y se registran más tarde: son ondas S (como Segundos).
Las ondas P son vibraciones que actúan en compresión: las partículas se mueven en la dirección de propagación de la onda, un poco como un resorte. Estas ondas de compresión se propagan a través de sólidos, líquidos y gases. | |
Las ondas S son ondas de corte: las partículas se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, un poco como un columpio en una cuerda. Estas ondas de corte se propagan en sólidos pero no en medios líquidos o gaseosos. |
Cuando una onda P llega de forma no perpendicular a una zona de transición (interfaz manto-núcleo, por ejemplo), una pequeña parte de su energía se convierte en otra forma de onda (una fracción de P se convierte en S). La interpretación de las lecturas sismográficas es, por tanto, difícil porque las parcelas de muchos tipos de ondas se superponen y deben ser desenredadas y cuyo origen debe explicarse.
Todas estas ondas se designan con letras diferentes que luego se pueden combinar a medida que evolucionan (ver tabla a continuación).
onda p | Onda S | |
---|---|---|
Saco | PAG | S |
núcleo externo | K | - |
núcleo central | I | J |
Así, una onda PP es una onda P que, después de haber sufrido un reflejo en la superficie del globo terrestre, permaneció en el manto antes de reaparecer en la superficie donde se detecta. Una onda PKP es una onda P que emerge en la superficie después de haber cruzado el núcleo externo líquido (camino = manto / núcleo externo / manto).
El nombre se puede alargar tanto como sea necesario. Por ejemplo, una onda casi vertical que atraviesa el globo terrestre justo después de haber rebotado en la superficie y haber pasado dos veces (para ir y volver) por el núcleo y la semilla, y finalmente reaparecer en la superficie, se llamará PKIKPPKIKP.
DiscontinuidadesSiguiendo el principio de que tan pronto como la velocidad de una onda sísmica cambia repentina y significativamente, esto significa que hay un cambio de medio, se podrían establecer las diferentes capas separadas por discontinuidades .
El estudio del magnetismoBajo el efecto de su rotación y los movimientos internos de los metales fundidos de su núcleo , la Tierra se comporta como una especie de dínamo , de la que resulta un campo magnético . Esto no es muy importante en comparación con los imanes industriales , pero es suficiente para desviar la aguja de una brújula y proteger parcialmente la superficie terrestre de los rayos cósmicos , como los vientos solares , que de otro modo perturbarían los dispositivos electrónicos.
Este campo varía con el tiempo. En la vida de la Tierra, incluso se invierte cientos de veces , por razones aún desconocidas, pero que ocupan una investigación activa. Esto aún no ha permitido demostrar un efecto dinamo en una esfera que gira lentamente, pero ha mostrado la formación de columnas de convección a ciertas temperaturas en función de la viscosidad de los fluidos y la velocidad de rotación. Estos movimientos son aparentemente compatibles con lo que sabemos sobre el campo electromagnético de la Tierra.
El estudio de los meteoritosPara comprender cómo se fueron diferenciando gradualmente las sucesivas capas de la Tierra, es útil conocer la composición exacta del material primitivo que le dio origen.
Sus elementos esenciales son hierro , níquel y silicatos . Estos elementos (y varios otros) se encuentran en un tipo de meteorito llamado condritas . Contienen pequeñas zonas esféricas de silicatos solidificados tras la fusión, los cóndrulos, cuyo nombre está en el origen del nombre de estos meteoritos.
Algunos de ellos, como la condrita de Allende , contienen una mezcla de hierro metálico y óxido de hierro, además de una gran cantidad de carbono. Otros, como el de Indarch chondritis , hierro metálico y enstatita , un silicato de magnesio (MgSiO 3 ) extremadamente común en el manto de la Tierra. Los meteoritos carbonosos más primitivos CI muestran hierro completamente oxidado. Son muy similares en composición a la nebulosa de gas que dio a luz al sistema solar hace unos 4.570 millones de años y a la Tierra hace 4.450 millones de años.
Entre todas estas condritas , solo las que contienen un 45% de enstatita tienen una composición química e isotópica acorde con la densidad y la naturaleza profunda actual de la Tierra (varias capas de silicatos ligeros y un núcleo por donde han migrado los metales más pesados). Estos meteoritos son demasiado pequeños para diferenciarse: sus elementos se han mantenido distribuidos de forma relativamente homogénea.
La exploración humana del corazón de la Tierra está sujeta a muchos sueños y fantasías, como ilustra la novela Viaje al centro de la Tierra de Julio Verne .
De hecho, en 1956 en Gouffre Berger , en el macizo de Vercors ( Isère ), se alcanzó por primera vez la simbólica profundidad de -1.000 metros. En 2005 , los espeleólogos sobrepasaron la espectacular profundidad de –2000 metros en Krubera-Voronja (antes abismo de Voronja), en el Cáucaso Occidental (Abjasia).
Además, la variedad de tierra explorada en las minas es mucho mayor que las extensiones de rocas sedimentarias atravesadas por los espeleólogos y la tierra minada es mucho más antigua. Codean menores cada día el fenómeno de aumento de la temperatura de la XVIII ª influencia siglo los supuestos de un globo en el corazón derretirse. Sin embargo, incluso las minas más profundas del mundo (~ 3 500 m para el Tau Tona de Sudáfrica en 2002) solo arañan la corteza terrestre.
La mera exploración humana no es suficiente para comprender el contenido profundo del globo. Más allá de los dos kilómetros, es necesaria una exploración indirecta.
Perforación profundaEl objetivo de la perforación profunda es comprender mejor la litosfera y llegar a la zona de transición entre ella y el manto superior: el Moho .
Dos ejemplos: el programa KTB ( Kontinental Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik ), que alcanzó los 9.800 metros por debajo de Alemania , y el pozo sg3 de 12.600 metros en la península de Kola (Rusia) que duró de 1970 a 1989. En ese momento. Profundidad, la temperatura observada era de 180 ° C mientras que esperábamos más de una temperatura del orden de 200 ° C. El gradiente geotérmico de 1 ° C / 60 m (la temperatura aumenta con una profundidad promedio de 1 ° C cada 60 m) es dos veces menor que el medido por la mayoría de los pozos.
Si bien estos agujeros han confirmado la estructura y composición de la corteza, o han dibujado perfiles sísmicos regionales, no se extienden más allá de la corteza terrestre , que ni siquiera representa la piel de una naranja escamosa del planeta.
Al ser la corteza oceánica más delgada que las placas continentales, han surgido varios proyectos de perforación oceánica, MOHOLE luego DSP (1968-1983) en los Estados Unidos, luego programas internacionales como ODP (1985-2003) e IODP (2003-2013). Hasta ahora, ningún buque ha logrado perforar hasta la discontinuidad de Mohorovičić .
El estudio de los geoneutrinos resultantes de la desintegración radiactiva del uranio 238 , uranio 235 , torio 232 y potasio 40 proporciona información sobre el calor generado en el interior de la Tierra: alrededor de 40 TW . Este valor es consistente con los obtenidos por otros métodos.
Neutrinos atmosféricosEl estudio de los neutrinos atmosféricos que atraviesan la Tierra permite sondear sus capas internas y así deducir la densidad y la masa de las distintas capas.
Desde la Antigüedad, muchos han intentado explicar la constitución interna de nuestro globo: matemáticos, filósofos, teólogos y más tarde naturalistas, físicos y geólogos. Algunos de estos intelectuales intentaron ceñirse a la visión de la tierra (relieves, volcanes, terremotos), otros también quisieron incorporar a su modelo una explicación de los textos bíblicos (el diluvio); la exhaustividad de este censo es difícil de lograr.
Aristóteles ( IV º siglo aC. ) Establece una definición temprana de la formación de la tierra. Para él, la Tierra está formada por tierra y rocas rodeadas de agua y luego de aire. Luego viene una capa de fuego y las estrellas. Hasta Copérnico, esta visión cambiará poco.
Pero en el medio del XVII e siglo una gran cantidad de ideas de nuevo aparece. En 1644 , René Descartes en Los principios de la filosofía presenta a la Tierra como un sol antiguo que ha mantenido un núcleo de tipo solar, pero cuyas capas externas han evolucionado. Varias capas se suceden desde el centro: roca, agua, aire y finalmente una corteza exterior en equilibrio sobre este aire. Esta corteza rota formó los accidentes geográficos y permitió que el agua pasara desde las profundidades que formaron los mares y océanos. Al mismo tiempo, Athanasius Kircher también postula que el globo terrestre es una estrella enfriada, pero que contiene bajo la corteza un material fundido que a veces se escapa del centro a través de volcanes.
Al final de la XVII ª y durante el XVIII ° siglo , se hacen muchas suposiciones. William Whiston sugiere una Tierra de un antiguo cometa. John Woodward y Thomas Burnet proponen una Tierra que estaba compuesta por una mezcla fluida que fue depositada por la gravedad a lo largo del tiempo. Edmund Halley diseña una Tierra Hueca con varias capas concéntricas y un núcleo magnético, separados por un vacío. Henri Gautier piensa en una Tierra totalmente hueca donde la delgada corteza exterior está en equilibrio entre la gravedad y la fuerza centrífuga.
Con el auge de la geología , las teorías deben ser consistentes con la observación y las mediciones geofísicas.
La poca influencia de las masas montañosas sobre la gravedad local tiende a demostrar que la Tierra no es hueca, invalidando hipótesis previas. A partir del siglo XVIII , el ligero aplanamiento del globo en los polos y la naturaleza ígnea de ciertas rocas llevaron a Georges de Buffon a decir que la Tierra estaba en fusión en su origen.
En el siglo XIX , la medición del aumento regular de la temperatura con la profundidad en las minas (1 ° C por 25 metros) llevó a Joseph Fourier y Louis Cordier a extrapolar y deducir que el centro de nuestro planeta está fundido a una temperatura de varios miles. grados. El origen de esta temperatura aún es incierto: no sabemos si es un remanente del calor original almacenado en un globo terrestre en proceso de enfriamiento, o si pudo haber habido un aumento de temperatura. Interna de la Tierra por exotermia física o Fenómenos químicos. Además, este calor podría ser lo suficientemente intenso como para que toda la materia interna sea gaseosa más allá de una cierta profundidad.
Para William Hopkins , la variación del punto de fusión de las rocas en función de la presión vuelve a inclinar la balanza a favor de un núcleo sólido.
Según Lord Kelvin , el nivel muy bajo de movimientos del suelo de las mareas (evaluados en comparación con la medición precisa de las mareas oceánicas) aboga por un globo con las propiedades de un sólido elástico y no de un fluido. Su modelo requiere una parte central rígida para explicar la deformación debida a las mareas (período de 14 días).
Durante el XX ° siglo, tomografía sísmica , ganador de precisión, permite hacer varios descubrimientos importantes.
Paralelamente, de 1923 a 1952 , otros geofísicos ( Adams , Williamson , Bullen , Birch …) trabajaron en ecuaciones que permitieron determinar la variación de densidad con la profundidad y la presión que genera.
Además, el análisis de la composición de rocas terrestres y meteoríticas, así como la medición de la densidad media del globo (5.5) influyen en varios modelos donde una fina y ligera costra de silicatos cubre un núcleo metálico voluminoso y más denso.
La investigación actual está interesada en un mejor conocimiento de lo "muy profundo". En particular, la naturaleza y propiedades exactas de la semilla de tierra . Por ejemplo, su temperatura. En 2013, los resultados convergentes explican las diferencias anteriores, según las cuales la temperatura del núcleo evolucionaría de 3800 ° C a 5500 ° C dependiendo de la profundidad.