Curso deFUNDAMENTOS DE GEOLOGÍA

Imparte:Dra. Laura Mori: mori@unam.mxhttps://sites.google.com/site/fundamentosdegeologialm/

2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

El origen de todo: el Big BangEl momento de la creación es el evento más elusivo e incomprensible en la historia del Universo.El espacio, la energía y la materia empezaron a existir a partir de un “vacío” desconocido e indefinible…... el concepto de “vacío” implica el concepto de volumen…… antes de la creación, no había volumen, no había espacio, no había tiempo…… la creación del Universo puede verse como una transformación de la “nada” a “algo”, y este “algo” representa el “todo”!

El Universo nació como “singularidad”: era un cosmos ultracomprimido en un punto de tamaño inferior al de un átomo, conformado por pura energía homogénea de densidad infinita.De acuerdo con cálculos recientes, hace 13,700 millones de años ocurrió el Big Bang: la “singularidad” explotó, liberando energía caliente a velocidades altísimas. La expansión de energía generó el espacio, y produjo un aumento progresivo del volumen del Universo.La expansión del Universo permitió su enfriamiento progresivo, consintiendo la formación de las primeras partículas subatómicas, electrones y quarks, que se materializaron a partir de energía pura. A su vez, los quarks se combinaron para formar protones y neutrones.Conforme el Universo se expandía y enfriaba, los electrones empezaron a asociarse y orbitar alrededor de núcleos de protones y neutrones, formando los primeros átomos: esencialmente H, menor He, y trazas de Li.

2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Las estrellas y los elementos de la tabla periódica

x 1016… empezó a generarse una fuerza de atracción gravitacional importante entre grupos de átomos de H, que tendía a aglomerarlos y empujarlos hacia un centro común, formando las primeras estrellas (aglomerados gaseosos de átomos de H).El proceso de formación de las estrellas involucró una transformación de la energía cinética de los átomos de H en calor, por lo que el núcleo alcanzó temperaturas elevadísimas (millones de grados), además de presiones altísimas. La temperatura y presión en el núcleo de las estrellas eran tan elevadas que lograron disparar reacciones de fusión nuclear.Es así que se “encendieron” las primeras estrellas, y se empezaron a generar los elementos químicos.

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La primera reacción que ocurrió en el núcleo de las estrellas fue la fusión de átomos de H para formar He (2 protones).El He producido por la fusión nuclear de H se acumuló progresivamente, llevando a un aumento de la densidad nuclear, y favoreciendo de esta manera la contracción y calentamiento progresivo del núcleo de las estrellas.Una vez quemado todo el H del núcleo, el incremento de temperatura en el interior de las estrellas indujo la fusión de He para formar C (6 protones).

Reacciones nucleares sucesivas produjeron elementos progresivamente más pesados, como Ne, O, Mg, Si, S… hasta llegar a Fe (26 protones).

Las estrellas y los elementos de la tabla periódica2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Una vez terminada la síntesis de Fe, las estrellas no tenían energía suficiente como para desarrollar más reacciones nucleares, así que el empuje de masa hacia el exterior de las estrellas se acabó.Las estrellas empezaron a colapsar por su propia gravedad, produciendo un incremento dramático de la temperatura del núcleo, y llevando a explosiones cataclísmicas denominadas Supernovas.

Hasta la síntesis de Fe, las estrellas habían mantenido un equilibrio estable, determinado por el balance entre:- la fuerza de gravedad que empujaba la masa hacia el centro;- las reacciones nucleares que empujaban la masa hacia afuera.

Las estrellas y los elementos de la tabla periódica2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Las supernovas llenaron el espacio de los elementos producidos por las estrellas:- C, O, N, P, S... fundamentales para la vida;- Mg, Si, Fe, Al, Ca… muy comunes en las rocas de la Tierra y en todos los planetas rocosos.

Las estrellas y los elementos de la tabla periódica2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Además, la violencia explosiva de las supernovas logró desintegrar los núcleos atómicos de los elementos que se habían formado en las estrellas, llevando a una reorganización de los protones y neutrones para formar nuevos elementos más pesados que el Fe:- elementos preciosos, como Au y Ag;- elementos útiles, como Cu y Zn;- elementos tóxicos, como As y Hg;- elementos radioactivos, como U y Pu…

Las estrellas y los elementos de la tabla periódica2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Las estrellas y los elementos de la tabla periódica2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Las reacciones químicas entre los nuevos elementos empezaron a producir las primeras moléculas: H2, N2, H2O, NH3, CH4, CO, CO2… que jugarían un papel clave en la formación de algunos planetas, y para el origen de la vida.

Sucesivamente, cuando las temperaturas del Universo eran bastante frías como para consentir la condensación del material gaseoso, se empezaron a formar las primeras partículas minerales, representadas por diamante y grafito (C puro), minerales de Ca y Al, y minerales de Mg, Ca, Si y O… que también serían importantes para la formación de ciertos planetas.

Las estrellas y los elementos de la tabla periódica2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

El origen de nuestro Sistema Solar El Sistema Solar se formó a partir de una nube de gas y polvo conformada por el ~90% de H, el ~9% de He, y el 1% de H2O, moléculas orgánicas y granos minerales microscópicos.Hace ~4,600 millones de años, algún evento (¿onda de choque derivada de la explosión de una estrella cercana?) disparó el colapso de la nube.Al contraerse por efecto de las interacciones gravitacionales entre sus partículas, la nube empezó a rotar más y más rápido, favoreciendo la concentración del material hacia su interior.El balance entre la gravedad y la rotación llevó a la formación de un disco plano con un núcleo denso y caliente, que siguió creciendo hasta concentrar el ~99% de la masa de la nube.El incremento espectacular de temperatura y presión relacionado con el colapso de la nube disparó las reacciones de fusión nuclear que “encendieron” el Sol.La formación del Sol marcó el fin del colapso y del calentamiento gravitacional: el material de la nube que orbitaba alrededor del Sol empezó a agregarse en partículas progresivamente más grandes.Colisiones repetidas entre dichas partículas provocaron la formación de planetesimales y protoplanetas, que finalmente se convirtieron en planetas.

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El Sistema SolarEl Sistema Solar es el conjunto de cuerpos celestes que sufren de manera apreciable los efectos de la atracción gravitacional del Sol.

Planetas terrestres (internos)- más cercanos al Sol;- más densos (3.9-5.5 g/cm3);- rocosos (Si, O, Fe, Mg).

Planetas jovianos (externos)- más alejados del Sol;- menos densos (0.7-1.7 g/cm3);- gaseosos (H, He).

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El Sistema Solar

Los compuestos de los elementos más refractarios como Ca, Al, Si, Mg, Fe, y los compuestos metálicos de Ni-Fe, se condensaron preferentemente en las regiones más cercanas al Sol.H, He, los gases nobles y otros volátiles se condensaron en las porciones más frías del disco protoplanetario.

acreción para formar los planetas externos

acreción para formar los planetas internos

En las etapas tempranas de formación del Sistema Solar, intensos vientos solares arrastraron elementos volátiles como H y He hacia la porción más externa del Sistema; en esta región, H y He pudieron enfriarse, condensar, y se agregaron para formar los planetas gaseosos.

En cambio, los granos de polvo más gruesos se quedaron en proximidad del Sol, donde se agregaron para formar los planetas rocosos.

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Un meteorito es un fragmento de asteroide o planetesimal que, durante su órbita, es capturado por el campo gravitacional de la Tierra.El meteorito puede desintegrarse completamente en las partes altas de la atmósfera debido a la altísima fricción; o puede quebrantarse, precipitando en la superficie terrestre como un objeto sólido.

Los meteoritos como clave para entender la formación y evolución planetaria

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Las condritas, meteoritos primitivosLas condritas son meteoritos primitivos compuestos de:- condros;- inclusiones de calcio y aluminio (CAI);- silicatos de Fe-Mg;- matriz más fina.Las evidencias geoquímicas y mineralógicas indican que dichos componentes se formaron de forma aislada en la nebulosa solar; y posteriormente se agregaron para formar el cuerpo planetario parental de las condritas.

Las condritas presentan una composición química prácticamente análoga a la del Sol.Dado que el Sol concentra más del 99% de la masa del Sistema Solar, su composición se considera idéntica a la del Sistema Solar, y de la nebulosa a partir de la cual se originó.

La importancia de las condritas por lo tanto es evidente:- representan muestras directas de la nube de gas y polvo a partir de la cual se generaron todos los cuerpos del Sistema Solar;- proporcionan información valiosa sobre las condiciones y los procesos que llevaron a la formación de los planetas del Sistema Solar.

tienden a permanecer

en fase gaseosa, en

vez de condensar

consumidoen las

reacciones nucleares

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Secuencia de condensación

de los compuestosdurante el enfriamiento

de la nebulosa solarT (K)

Las condritas, meteoritos primitivos

Los primeros compuestos en condensarse fueron los óxidos y silicatos de Ca-Al-Ti.Dado que dichos minerales son los que conforman las CAI, se considera que las CAI representan los condensados de más alta temperatura de la nebulosa solar.Es decir, las CAI son los objetos más antiguos del Sistema Solar!

Sucesivamente se condensaron las aleaciones de Fe-Ni, los silicatos de Fe-Mg (olivino y piroxenos) y las plagioclasas, que son las fases dominantes en los condros.

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Las condritas, meteoritos primitivos La meteorita Allende (8 de febrero de 1969, Allende, Chihuahua) es la condrita más estudiada, más significativa y más importante de la historia.

Con una edad de 4,568 millones de años, las CAI del meteorito Allende representan los materiales más antiguos del Sistema Solar que el hombre haya podido fechar.Esa edad corresponde a la edad del Sistema Solar!

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Acondritas- algunas parecen lavas derivadas de la fusión de material condrítico;- otras son rocas muy diferenciadas;- otras parecen derivar de la acumulación de cristales en una cámara magmática.

Algunos meteoritos representan material “retrabajado”, transformado de alguna manera después de su formación (material fundido, alterado químicamente…).

Los meteoritos diferenciados2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Meteoritos metálicos- consisten de Fe y Ni, con menores sulfuros de los mismos elementos.

Meteoritos rocosos-metálicos- están compuestos de metales de Fe y Ni, y cristales de olivino.

Los meteoritos diferenciados2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

Los meteoritos como clave para entender la formación y evolución planetariaLos planetesimales y planetas derivaron de un proceso de acreción continua de material condrítico.La energía potencial gravitacional de los cuerpos que impactaban, aunada al decaimiento de los isótopos radioactivos, produjeron un incremento de temperatura tan notable, que produjo la fusión del material acrecionado.El proceso de fusión determinó una redistribución de los diferentes materiales en capas concéntricas de diferente densidad:- el material más denso se concentró en la porción central de los planetesimales, generando un núcleo metálico;- el material menos denso se concentró en las porciones más externas de los planetesimales, formando un manto compuesto de silicatos de Mg-Fe, y una corteza delgada rica en silicatos de Al.

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Los meteoritos como clave para entender la formación y evolución planetariaLa formación de los planetas fue un proceso dinámico, que involucró continuos choques entre cuerpos celestes.Algunos impactos fueron tan destructivos y violentos que provocaron la desintegración de algunos miniplanetas.Los meteoritos diferenciados representan porciones de antiguos planetas ya diferenciados, que fueron desintegrados por impactos. meteoritos

metálicos (núcleo)meteoritos rocosos-

metálicos (límite manto-núcleo)

acondritas(manto o corteza)

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La diferenciación química del planeta Tierra

Conforme se acumulaba material para formar la Tierra, el impacto a gran velocidad de planetesimales y otros cuerpos celestes produjo un aumento notable de temperatura, que llevó a la fusión del material acrecionado.Esto permitió una redistribución de los diferentes materiales con base en su densidad y afinidad química, llevando a la diferenciación del planeta en capas concéntricas.

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La diferenciación química del planeta Tierra

Núcleo- tiene un radio de ~3,400 km;- representa el 32.5% de la masa de la Tierra;- está compuesto de una aleación de Fe-Ni;- tiene una densidad de 11 g/cm3.

Manto- tiene un grosor de ~3,000 km;- representa el 66% de la masa de la Tierra;- está compuesto de silicatos de Fe-Mg (rocas ultramáficas);- tiene una densidad de 3.3 g/cm3.

Corteza: representa el 0.5% de la masa de la Tierra

continental- tiene un espesor muy variable (~25-80 km);- tiene una edad muy variable (hasta ~4,000 Ma);- está compuesta de silicatos de Al (rocas félsicas);- tiene una densidad de 2.7 g/cm3.

oceánica- tiene un espesor de 6-10 km;- tiene una edad < 200 Ma;- está compuesta de silicatos de Al y de Mg-Fe (rocas máficas);- tiene una densidad de 3 g/cm3.

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El gradiente geotérmico y geobáricoLa temperatura de la Tierra aumenta con la profundidad:- el gradiente geotérmico en la corteza terrestre es de ~25 °C/km;- en las regiones más internas, el gradiente se reduce a ~0.8 °C/km.El incremento de temperatura con la profundidad debilita los enlaces químicos, y reduce la resistencia a la deformación de los materiales.En las regiones profundas de la Tierra, los materiales adquieren un comportamiento dúctil, y son capaces de fluir:- las rocas del manto están sujetas a movimientos de convección, que tienden a homogeneizar la temperatura, reduciendo notablemente el gradiente geotérmico;- movimientos convectivos afectan también al núcleo externo líquido.

convección

convección

A pesar de la convección, la temperatura de las rocas del manto es elevadísima!… entonces, ¿por qué las rocas no están fundidas?

También la presión aumenta con la profundidad...… el gradiente geobárico promedio corresponde a 1 kbar/3.3 km (considerando un material con densidad ~3 g/cm3).El aumento de presión tiende a incrementar la resistencia mecánica de un material, obstaculizando su fusión.

Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, los materiales terrestres se pueden comportar como sólidos frágiles, pueden deformarse como plastilina, o incluso se pueden fundir, convirtiéndose en líquidos.

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Capas terrestres con diferente comportamiento mecánicoLitósfera- comprende la corteza terrestre y la porción más superficial del manto;- es una capa rígida, que tiene un comportamiento frágil.

Astenósfera- corresponde al manto superior;- las rocas tienen comportamiento plástico, y son capaces de fluir;- en esta porción del manto, las rocas pueden estar sujetas a fusión, generando magmatismo;- la convección astenosférica es responsable de los movimientos de las placas litosféricas.

Mesósfera- corresponde al manto inferior;- las rocas tienen una mayor resistencia mecánica que impide su fusión parcial, pero aún son capaces de fluir (hay convección).

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Capas terrestres con diferente comportamiento mecánico

Núcleo externo- se encuentra en el estado líquido;- las corrientes convectivas en esta región generan el campo magnético terrestre.

Núcleo interno- se encuentra en el estado sólido (la presión es demasiado alta como para permitir su fusión).

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La Tierra como sistema

- geósfera: Tierra sólida;- hidrósfera: masa dinámica de agua;- atmósfera: envoltorio gaseoso;- biósfera: conjunto de la vida animal y vegetal.

Agua- representa el 71% de la superficie terrestre;- el 97% son océanos;- el 3% es agua dulce (ríos, lagos, glaciares);- es el principal arquitecto de la superficie terrestre (agente de erosión que modifica el paisaje).

Aire- nos permite respirar;- nos protege de la radiación UV y del intenso calor solar;- sin aire no actuarían muchos procesos que hacen de la superficie terrestre un lugar tan dinámico.

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Para comprender como funciona el sistema Tierra, debemos entender de qué forma interactúan y cómo están interconectadas las partes que los conforman (subsistemas).

Hay circulación continua del agua a través de hidrósfera, atmósfera, Tierra sólida y biósfera.

La Tierra como sistema2. EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

La Tierra como sistema

Procesos endógenos- son la manifestación de la actividad interna del planeta (volcanismo, sismicidad, tectónica);- tienden a deformar la superficie terrestre;- su motor es el calor interno de la Tierra.

Procesos exógenos- son causados por la interacción de atmósfera, hidrósfera y litósfera (erosión, clima, circulación oceánica…);- tienden a nivelar la superficie terrestre;- su motor es la energía solar.

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