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PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)

TEMA 3. Estructura y composición de La Tierra

¿Cómo estudiar la estructura y composición de La Ti erra?

Observación y análisis sobre materiales

Observaciones directas•

•Datos sísmicos : indican presencia dediscontinuidades 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 sudistribución dentro de La Tierra.

•Datos de flujo de calor : refleja laabundancia y distribución de elementosradioactivos en la corteza y manto de La Tierra

•Datos cosmoquímicos : permitenestablecer la composición y procesos deformación de materiales presentes en el interiorde La Tierra




Datos sísmicos:

Permiten establecer la presencia de discontinuidades en el interior de La Tierra. Elcomportamiento de las ondas sísmicas muestra que el interior de La Tierra esclaramente heterogéneo , en el sentido de que a diferentes profundidades, losmateriales 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 dela Tierra: son las primarias P y secundarias S, y otras lo hacen por la superficie como lasondas Raleigh y Love.





Las ondas P (primarias) son ondas longitudinales o compresionales, lo cual significa que el suelo esalternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan auna velocidad 1.73 veces de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material líquido osólido. 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 ladirección de propagación. Su velocidad es menor que la de las ondas primarias. Debido a ello, éstas aparecenen el terreno algo después que las primeras. Estas ondas son las que generan las oscilaciones durante elmovimiento sísmico y las que producen la mayor parte de los daños. Sólo se trasladan a través deelementos sólidos.




Existen regiones de la Tierra que noreciben la señal del terremoto y quesiempre se localizaban en la mismaposición opuesta al epicentro delsismo. Se reciben las ondas P perono a las S. Se empezó a consolidarla posibilidad de que una capa


la posibilidad de que una capainterior de la Tierra fuera fluida yaque se conocía que las ondas S nose propagaban en medios fluidos,así se llegó a precisar que a partir2900km de profundidad estabafundido el núcleo.

Zonas de sombra “P”→heterogeneidad del núcleo.




Discontinuidades de 1re orden

Mohorovicic: limita la base dela corteza con el mantosuperior ( ≈≈≈≈30 km)

Liu -Tromp -Dziewonski (1998):


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

Lehmann: limita la base delnúcleo externo con el núcleointerno ( ≈≈≈≈5150km)

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




DENSIDAD DE LA TIERRA

Datos de aceleración gravitacional :Utilizando las leyes de aceleración gravitacional de (Newton), Cavendish (1731-1810) pudoestimar la masa de la tierra, y con las medidas del radio terrestre, calculó la densidadaproximada de la misma (5,46 g/cm3) siendo la aceptada en la actualidad de 5,52 g/cm 3






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/cm3 ?

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





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

• Dependencia de la velocidadde las ondas sísmicas con la


de las ondas sísmicas con ladensidad y la rigidezV2 ∝∝∝∝ 1/ρρρρ ; V2 ∝∝∝∝ µ

• La densidad total debecorresponderse con el momentode inercia de la Tierra (calculadopor la constante de precesión delos equinoccios)





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





DENSIDAD DE LA TIERRAModelo de cambio en el ensamblajemineralógico 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----estructura ββββ

e) Región sólida de transformación granate----perovskita / estructura ββββ----espinela


perovskita / estructura ββββ----espinela

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




TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA

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

La velocidad de incremento varía de sitio a sitio, pero en la corteza se ha podido establecerun 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 elflujo de calor promedio hacia la superficie es de 1,5 µcal/cm 2seg

Provincia Flujo de calor

µcal/cm 2seg

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




TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA


COMENTARIOS COMENTARIOS

PREGUNTAS PREGUNTAS



Estructura Interna de la Tierra

Espesores aproximadosCorteza (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)




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

CORTEZA





MANTO





MANTO

Modelo de composiciónpirolírica del mantosuperior (Ringwood,1975)

Modelo teórico que


Modelo teórico quepostula que lacomposición del mantosuperior es de 1 parte decomposición basálticatoleítica y 3 partes decomposición dunítica, enun material que sedenomino PIROLITA.




MANTO

Modelo de composición pirolírica del manto superior (Ringw ood, 1975)

Según el modelo de Ringwood, la fusión fraccionada del material pirolítico produceel magma basáltico. La mineralogía de la pirolita varía según la presión ytemperatura, 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”

d) Olivino + piroxeno (pobre en Al) + granate → “pirolita granatífera”




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





MANTO

Secuencias ofiolíticas

Complejo de rocas ígneas máficas yultramáficas constituido por laintercalación de capas (idealizado) debasaltos (superior), gabros (intermedio)


basaltos (superior), gabros (intermedio)y peridotitas (inferior). Se interpretacomo trozos de litosfera oceánica(corteza oceánica y parte del mantosuperior), obducidos en la cortezacontinental por procesos orogenéticos.




MANTO

Modelo composicional del manto




Se puede asumir un modelocondrítico para el mantoTerrestre?


MANTO







MANTO



Terrestre?





MANTO


La preservación de un modelo condriticoimplica un reservorio enriquecido “oculto”



Estructura zonal de la Tierra

Estructura de la Tierra

Nombre Características químicas Características físic as

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

Tabla tomada de Mason & Moore (1984)



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


Corteza 17 0,4 0,74

Manto 2883 67,2 83,01

Núcleo 3471 32,4 16,15

Tabla tomada de Mason & Moore (1984)


PREGUNTAS PREGUNTAS



Composición de la Corteza terrestre

Distribución de las rocas en la corteza terrestre





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

datos tomados de Nockolds (1954) *datos tomados de 5159 análisis : Clarke y Washingt on (1924)




Goldschmidt sugiere que al analizar muestras promedios que se encuentrenampliamente distribuidas en la superficie terrestre, es posible asociarla con unacomposición 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




Existen otros materiales geológicos de referencia dentro de los cuales destaca elNorth 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



Composición de la Corteza terrestreComposicionalmente, se ha podido dividir la corteza continental en tres partes:inferior, media y superior. Para Rudnick y Fountain (1995) la composición en funciónde 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



Composición de la Corteza terrestreAbundancia de los elementos (versus su peso atómico) en la corteza:




Composición de la Corteza terrestreAbundancia de elementos químicos mayoritarios en la corteza terrestre





Algunos términos asociado a la abundancia de los elementos

Elementos mayoritarios: son aquellos que presenta una concentraciónmayor a 1 %.Elementos minoritarios: son aquello elemento que presentan unaconcentración entre 1 % y 0,1%Elementos traza: son aquellos que presentan una concentración menor a0,1%


0,1%Elementos dispersos: elementos que aunque se presentan en cantidadesconsiderables en la corteza (generalmente minoritarios o traza) nuncaforman fases minerales propias, sino que se encuentran dispersos enminerales comunes.Clarke: término que se refiere al porcentaje promedio del elemento en lacorteza. Ejemplo: un clarke de oxigeno es 47; un clarke de Ni es 0,075Clarke de concentración: factor que muestra la concentración de unelemento dentro de un depósito o mineral particular. Se calcula porXmuestra/Xclarke



Composición de la Tierra como un todo

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

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

a) La aleación de hierro en el núcleo posee la composición promedio deFe-Ni en los condritos, incluyendo una cantidad de FeS (5.3%).


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 loscondritos.

Sobresimplificación de estos enunciados…




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 & Moore (1984)




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 relativade 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 VTomado de Mason & Moore (1984)


PREGUNTAS PREGUNTAS



Diferenciación primaria de los elementos

Asumiendo una teoría de formación acrecional y a partir un “modelo condritico”, esposible 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 lafase metálica, sulfurada y silicatada en un sistema determinado por el equilibrio Fe-Mg-Si-O-S



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.

Atmósfilos: aquellos elemento que presentan afinidad a fases gaseosas




El carácter geoquímico de los elementos se encuentra fundam entalmentecontrolado por su configuración electrónica.

Algunos elemento pueden mostrar afinidad por más de una fase, debido a que estadistribución se encuentra fuertemente influenciada por la temperatura, la presión y elambiente 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 lafugacidad de oxígeno disminuye drásticamente, adopta un carácter fuertementecalcófilo.

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)



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 e dad de 4470millones de años (Kleine, Thorsten and Rudge, John F. (2011) Chronometry of Meteorites and theFormation of the Earth and Moon. ELEMENTS, 7 (1). pp. 41-46)

Las primeras formas de vida poseen una edad entre 2600 a 1900 m illones deaños


Se propone como aceptada la teoría de acreción para la formac ión de la Tierra.

Se postulan dos modelos: Acreción “suave” y Acreción “violen ta” (modelo másaceptado)




La acreción violenta sugiere el impacto continuo y violento de cuerpos extraterrestresobre una protroTierra acrecionada (eón Hadeano). Esto tra e como consecuencia laformación de una zona fundida denominada “Océano de Magmas” similar al sugeridopara la formación de la Luna





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.




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



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