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MASTER DE PROFESOR DE EDUCACIÓN SECUNDARIA OBLIGATORIA Y BACHILLERATO, FORMACIÓN PROFESIONAL Y ENSEÑANZAS DE IDIOMAS

Ángel Carmelo Prieto Colorado

Física de la Materia Condensada, Cristalografía y MineralogíaFacultad de Ciencias

Universidad de Valladolid

Complementos de Geología

© Alejandro del Valle, A. Carmelo Prieto

Tema 5. Geodinámica interna

Teorías orogénicas y tectónica de placas.

Límites de placas tectónicas.

Volcanes.

Terremotos.

Pliegues y fallas.


La actividad del planeta Tierra se manifiesta mediante movimientos lentos en la Corteza Terrestre, muchas veces imperceptibles por los seres vivos. Dichos movimientos modifican el relieve, aunque de manera distinta a como lo hacen los agentes externos.

Los movimientos de la Corteza Terrestre se manifiestan, entre otras maneras, mediante los terremotos y los volcanes. También se observan formaciones que manifiestan de modo indirecto dichos movimientos, como los pliegues, las fallas o las grandes cadenas montañosas.

En este capítulo vamos a ir viendo todos estos aspectos que constituyen la denominada Dinámica Interna Terrestre.

Geodinámica interna


Teorías orogénicas y tectónica de placasLa estructura de la Tierra puede considerarse bajo dos aspectos, uno Estático (apoyado en el estudio de los afloramientos de rocas profundas y xenolitos, estudios gravimétrícos y sísmicos, geoquímica mineral y análisis de meteoritos) y otro Dinámico (que considera a la Tierra como un gran motor térmico).

El estudio de los afloramientos de rocas profundas, como las Bou Azzer en el Anti-Atlas (Marruecos), muestran rocas procedentes del manto superior que las deformaciones tectónicas han podido sacar a la superficie.

Las rocas ígneas que resultan de la fusión parcial del manto (basaltos) arrastran a veces trozos de manto no fundido de nominados xenolitos.

roca volcánica basaltica

peridotita


Pero como vimos, con este tipo de análisis, sólo se accede a conocer la parte superior del manto. Precisamos otras informaciones indirectas para tener un modelo estructural de la Tierra.

Los análisis gravimétricos, basados en la ley de la atracción gravitatoria, permiten calcular la masa de la Tierra (Mt) y, por tanto, su densidad media.

g = (G Mt) / R2

donde g es la aceleración de la gravedad, G, la constante gravitatoria universal, Mt, la masa de la Tierra y R el radio de la Tierra. Así, la densidad media resulta ser 5,52 gcm-3.

La rotación de la Tierra sobre su eje indica que la masa debe estar distribuida con simetría radial, aproximadamente segun una estructura en capas concéntricas, con las más densas en el interior.


El como se propagan las ondas sísmicas indica una estructura en capas.

A partir de los estudios Geoquímicos sobre la composición de las rocas que resultan de la fusión parcial del manto da importantes indicaciones sobre la composición y el estado térmico de éste.

Los experimentos con altas presiones y temperaturas permiten conocer qué fases minerales hay en el manto profundo.


Por último, los meteoritos ofrecen una información valiosa dado que son fragmentos de asteroides formados durante las etapas iniciales del proceso de acreción en la Nebulosa Solar. La naturaleza de algunos meteoritos nos ilustra probablemente sobre la composición del interior de la Tierra.

Aunque hay variedad de composiciones, caben destacar dos aspectos:

Los meteoritos ricos en fases metálicas constituidos por una aleación de ferro-níquel ( F e / N i ) p o d r í a n s e r indicativos de la composición del núcleo de la Tierra.Los meteoritos ricos en fases líticas y constituidos de forma dominante por ol ivino y piroxenos, podrían tener composición próxima a la del manto terrestre. Meteorito “Allende” (Méjico)


El modelo estructural Estático da lugar a una visión en capas según sea su composición o su mecánica:

composiciónCortezaMantoNúcleo

comportamiento mecánicoLitosfera (corteza y manto)Astenosfera (manto)Mesosfera (manto)Núcleo externoNúcleo interno

El modelo estructural dinámico considera a la Tierra como un gran motor térmico con tres dinámicas diferentes según la geoesfera:

Dinámica del núcleo: magnetismo terrestreDinámica del manto: convecciónDinámica de la litosfera: movimiento de placas

© Alejandro del Valle, A. Carmelo PrietoVariación de la temperatura en el interior de la Tierra

El gradiente geotérmico no es constante y, si a través del estudio de las ondas sísmicas se demuestra la existencia de un núcleo interno sólido, el incremento de la temperatura no puede ser lineal con la profundidad, dado que el núcleo soportaría temperaturas muy superiores a los 200.000 K, cuando en los modelos aceptables tan solo alcanza éntre 5.000 y 7.000K. La distribución desigual de la temperatura esta en consonancia con un modelo dinámico convectivo.

© Alejandro del Valle, A. Carmelo PrietoMovimientos de convección en el núcleo externo y manto

El modelo estructural dinámico presupone que es un movimiento de convección en el núcleo externo, lo que origina el geomagnetismo y que una dinámica de convección en el manto, es la causa del origen de la tectónica de placas, que observamos en la superficie.

© Alejandro del Valle, A. Carmelo PrietoSimulación de la convección del manto terrestre

Las evidencias de la convección del manto son las mismas que se mencionaron en apoyo de los modelos estructurales terrestres, no obstante el patrón de la convección es aún mal conocido y puede ajustarse a dos modelos, limites (1-2), donde el segundo (2), podría ajustarse mejor a la realidad.


Litosfera

Tectónica de placas

La litosfera es la capa externa y “rígida” de la Tierra, que se encuentra sobre la zona plástica denominada astenosfera y que se fragmenta y desplaza a causa de la dinámica convectiva del manto.

Ello da lugar a la teoría de la “Deriva Continental” que posteriormente fue conocida como Tectónica de P l a c a s , p r o p u e s t a p o r e l meteoró logo ber l i nés Al f red Wegener en 1912.


Alfred Wegener basándose en datos paleontológicos y pruebas geológicas planteo en 1912, durante una conferencia de la Unión Geológica de Frankfurt la Hipótesis de la Deriva Continental. Antes de que Wegener argumentara a favor de grandes desplazamientos horizontales de los continentes (1911) la actividad tectónica de la Tierra se atribuía principalmente a contracción por enfriamiento.

La Tectónica de placas considera que las corrientes de convección provocan la ruptura de la Corteza Terrestre en las denominadas Placas Litosféricas y, al mismo tiempo, son responsables de su movimiento.

De este modo, la Corteza Terrestre se encuentra fraccionada en placas cuyo tamaño y forma varían continuamente. Se mueven muy lentamente como consecuencia de la desigual distribución del calor en el interior de la Tierra. Así, el material caliente que se encuentra en las profundidades del manto, asciende despacio formando corrientes de convección. Al mismo tiempo, los fragmentos fríos de la litosfera van hacia abajo del manto, dando movimiento a la capa externa y rígida de la Corteza.


Alfred Wegener en 1910, impresionado por la semejanza de las costas de los continentes situados en ambos lados del Atlántico sur y basado en datos paleontológicos y otras pruebas geológicas, planteo en 1912 en la citada conferencia de la Unión Geológica de Frankfurt la Hipótesis de la Deriva Continental. Gusto a geólogos por sus aspectos litológicos pero puso en contra a geofísicos por su débil argumentación a favor de las fuerzas de convección como mecanismo dinámico.

Como consecuencia de dichos movimientos se generan terremotos, se crean volcanes y se deforman grandes masas de rocas para formar montañas, correlacionando Tectónica de Placas y procesos Orogénicos.


El 10/01/1910 pronuncia una conferencia en la Sociedad para el Fomento de la Historia Natural General de Marburgo, titulada "El origen de los continentes” y en 1912, publica dos trabajos más sobre el tema.

Es en 1915 cuando publica "El origen de los continentes y océanos", y propone la existencia inicial en la superficie terrestre de un único supercontinente continuo, denominado Pangea, que reunía a todos los continentes actuales, el cual se habría partido durante la Era Secundaria (hace 260-65 ma) y sus fragmentos comienzan a moverse y dispersarse. Llamó a este movimiento “desplazamiento horizontal de los continentes” ó deriva continental. Supuso que estos bloques continentales, menos densos, podían realizar movimientos verticales, isostasia, como bloques de corcho que flotan en agua y movimientos horizontales deslizantes, siempre y cuando se ejerciera la fuerza de intensidad adecuada.


Para apoyar su hipótesis Wegener reunió cantidad de “evidencias” extraídas de diversas ramas de las ciencias naturales, incluyendo la geografía, geofísica, geología, paleontología, ciencias biológicas y clima. La primera evidencia de la deriva continental es la coincidencia fisiográfica de las costas de los continentes que cercan el Atlántico.

Demostró que al yuxtaponer tales estructuras presentan similitudes y se acoplan como si fueran las piezas de un rompecabezas. La teoría movilista de Wegener fue bien aceptada por muchos geólogos, pues a pesar de que no conocían bien las rocas del hemisferio sur y dudaban de las correlaciones propuestas por Wegener, los aspectos geológicos eran contundentes, más aún cuando las zonas de encastre se amplían al borde del talud continental, a unos 900 m de profundidad.


Este acoplamiento no es sólo en la forma de las costas, como hemos visto, sino que además, coinciden también los tipos de rocas y otras estructuras a ambos lados del atlántico. Demostró que lo mismo sucedía entre la India, Australia, Sudamérica y sur de África y que esto sólo se explicaba si estas masas continentales habían estado unidas.

Wegener, supone que al final del Carbonífero -hace 290 ma-, sólo existía un único continente, Pangea.

LAURASIA

GONDWANA


Esa inmensa masa que constituye el primer super continente se habría fragmentado posteriormente en distintas direcciones, de tal manera que en el Eoceno ya se podrían distinguir con claridad dos continentes: el eurasiático, que se comunicaba, a través de Escandinavia con Norteamérica, dando lugar a un supercontinente septentrional llamado Laurasia, y, al sur, una serie de bloques continentales, hoy separados, que constituía el supercontinente de Gondwana, que comprendía Sudamérica, Antártida, Australia y África.


Existen coincidencias entre los restos fósiles encontrados a uno y otro lado al sur de los continentes que formaron el super-continente Gondwana. Así el Cyanognathus, un reptil del Triásico de 1 m de longitud, el Mesosaurus, un pequeño reptil fluvial del Carbonífero y Pérmico, el Lystrosaurus, otro reptil del Triásico, con rasgos de mamifero y los helechos fosiles del Paleozoico denominados Glossopteris, son comunes a uno y otro lado de los océanos.


Además explicaba la formación de cadenas montañosas, dado que existen segmentos de lo que fueron antiguas cadenas montañosas que aparecen actualmente dispersos en los continentes separados. En el frente de los continentes en movimiento se formaron gigantescas rugosidades, de modo que, el contacto de América, que derivaba hacia el occidente, generó, al empujar los sedimentos del fondo oceánico hacia arriba arrugándolos, la cordillera de los Andes y las Montañas Rocosas. Australia, que deriva hacia el Oriente, indujo la formación de sus cadenas costeras orientales. Esas rugosidades también tienen importantes repercusiones internas que generan las intensas actividades volcánicas y magmáticas de esas regiones.

Del lado opuesto los continentes en deriva abandonan, en su rastro, algunos fragmentos de su margen posterior generando islas, grandes o pequeñas. América, por ejemplo, en su deriva hacia el oeste, habría formado tras de sí el arco de las islas de las Antillas. Más espectacular todavía habría sido la deriva de Asia hacia el noroeste, que dejara como huella la guirnalda de las islas del Archipiélago de Sonda, Japón, las islas Kuriles y otras.


También existen evidencias paleoclimáticas como es la apa r i c i ón de sed imen tos glaciares (till) de las mismas edades en el sur de África, Suramérica, India y Australia.

Según Wegener, esta glaciación ocurrida al final del Paleozoico, debió afectar al supercontinente Pangea, dada la gran extensión ocupada por el hielo.


Wegener propuso un mecanismo para explicar la deriva. Argumentó que las fuerzas gravitacionales y el “empuje” de las mareas eran las que causaban la deriva de los continentes hacia el oeste, inducidas por la atracción gravitacional del Sol y la Luna. Pero Wegener presentó tales ideas sólo como tentativas de explicación, pues afirmó que "la cuestión de cuáles fuerzas habrían podido causar esos desplazamientos, pliegues y hendiduras, aún no puede responderse conclusivamente”.

Los inconvenientes de la Hipótesis de Wegener eran: No contaba con un mecanismo capaz de explicar la deriva a través del planeta y se propuso que fuera la influencia mareal de la Luna.Sin embargo, una fricción mareal de tal magnitud hubiera frenado, en pocos años, la rotación terrestre.Alternativamente, propuso, que los continentes atravesaron los fondos oceánicos como un rompehielos atraviesa un bloque de hielo, pero en el fondo de los océanos no había huellas de tal paso, el cual hubiera dejado unas evidentes marcas de deformación.

Por todo ello, algunos científicos calificaron la hipótesis de Wegener de “disparate completo”.


Los principales críticos de Wegener son fundamentalmente geofísicos y geólogos europeos y americanos. Los geofísicos criticaban que los cálculos llevados a cabo sobre los esfuerzos necesarios para desplazar la masa continental a través de las rocas sólidas en los fondos oceánicos daban valores excesivamente altos, algo muy exagerado.

En un primer momento la hipótesis de Wegener era correcta pero contenía detalles incorrectos, y solo unos pocos científicos consideraron plausibles las ideas de Wegener y continuaron con la investigación (entre ellos, Arthur Holmes quién fué el primero que sugirió, en 1928, el mecanismo de las corrientes convectivas en el manto).

El reconocimiento científico total llego en 1937, en gran mediada por las aportaciones del geólogo sudafricano Alexander Du Toit, que publicó una lista de diez líneas de evidencia a favor de la existencia de dos supercontinentes, Laurasia y Gondwana, separados por un océano de nombre Tethys el cual dificultaría la migración de floras entre los dos supercontinentes. Du Toit también propuso una reconstrucción de Gondwana basada en el arreglo geométrico de las masas continentales y en correlaciones geológicas.


Los principales aportes se producen de modo definitivo cuando Holmes propuso en 1931 una teoría sobre los movimientos laterales y mecanismos de las corrientes convectivas en el manto que complementan la teoría de Wegener.

Supone que el interior de la tierra esta en un estado de convección térmica extremadamente lenta que produce grandes celdas con vectores de flujo promedio del orden de magnitud del radio del planeta y con duración de ordenes de magnitud comparables a periodos geológicos.

Lo importante del trabajo de Holmes fue que al proponer este mecanismo alivió el principal problema en la teoría de Wegener ya que los continentes son arrastrados junto con el piso oceánico adyacente en lugar de abrirse camino a través de él. La teoría de la convección en el manto sustituyó tanto a la teoría de la contracción (que explicaba las características de compresión) como a la de la expansión (que explicaba las características producidas por tensión).


Es entorno a 1960 cuando la teoria de Wegener es totalmente aceptada por los científicos.

Junto a las evidencias geograficas, geologicas, paleologicas y biologicas aportadas, están los avances en el conocimiento de los fondos marinos en los años 50 y 60 -descubrimiento de cordilleras submarinas (dorsales), con un valle central (rift), la gran actividad volcánica y elevado flujo térmico de las dorsales, actividad sísmica en las fosas profundas y rocas de la corteza oceánica que no superan los 160 ma, muy jovenes.

Hay tres evidencias científicas decisivas para que los geofísicos aceptaran la movilidad de la capa externa de la Tierra:

Las curvas de deriva del paleomagnetismo continental.

El patrón sistemático del paleomagnetismo oceánico.

La localización de los terrremotos en franjas.


La deriva de los polos magnéticos registrada a partir del estudio del momento magnético de minerales de las rocas de ambas orillas del océano, que señalan la dirección de los polos magnéticos de la Tierra y dan la latitud de su origen, muestran curvas de paleomagnetismo continental de las rocas, indicando que:

1. Los polos habían migrado con respecto a continentes fijos, o en realidad que, los continentes habían migrado con respecto a polos fijos.

2. Las curvas de deriva de distintos continentes se ajustaban al juntar los continentes en uno solo.

3. El campo magnético de la Tierra cambia periódicamente de polaridad y el polo norte magnético se convierte en el polo sur magnético y viceversa.

4. Las coladas de lava determinaban los momentos en los que la polaridad del campo magnético de la tierra cambiaba.


Los avances tecnológicos ofrecieron una imagen mucho mejor del fondo oceánico y Harry Hess en 1963 propone la hipótesis de la “expansión de los fondos oceánicos” que, al mismo tiempo, explica porque las rocas de los fondos oceánicos son tan jóvenes. Para ello considera tres aspectos:

en las dorsales oceánicas asciende material del manto, expandiéndose lateralmente a ambos lados.el fondo oceánico es transportado hacia el interior como lo haría una cinta transportadora.el fondo oceánico se crea y se renueva continuamente.

El patrón sistemático del paleomagnetismo oceánico evidencia como se separaron las placas. La corteza oceánica se comporta como una cinta registradora de las inversiones geomagnéticas. En 1963 Vine y Matthews descubrieron que las bandas de magnetismo en la corteza oceánica cerca de las dorsales respaldaban el concepto de expansión oceánica de Hess. Dadas las dimensiones constantes del globo terrestre, la corteza oceánica se debe consumir y es precisamente en la fosas oceánicas donde se consume, descendiendo lentamente hacia el manto.


La localización de los terremotos en franjas es la tercera evidencia actual de la tectónica de placas.


La distribución geográfica de sismos, ocurridos en la Tierra, muestran una correlación directa y aproximada con los bordes de las placas litosféricas y, con una coincidencia nada casual, se distribuyen en las mismas franjas oceánicas las principales actividades volcánicas.

Seísmos Volcanes

Placas


Por consiguiente, podemos concluir que el desacoplamiento mecánico entre Litosfera y Astenosfera, es lo que permite la movilidad de las placas litosfericas, tal y como se plantea en la tectónica de placas.

Las ideas básicas son dos:

La litosfera (corteza y parte del manto) está dividida en un número de casquetes “rígidos”, las Placas, que se mueven entre sí.Los fenómenos tectónicos (generación de magmas, deformación y metamorfismo de las rocas, sismicidad) están concentrados en los límites entre placas, y están relacionados con los movimientos relativos de estas placas y su interacción con el manto subyacente.


Hoy en día el ensamble de los continentes se hace con computadoras digitales capaces de almacenar y manipular enormes bases de datos para evaluar posibles configuraciones y disposiciones geométricas. A pesar de ello, sigue habiendo cierto desacuerdo en cuanto a la posición de los distintos continentes actuales en Gondwana.

Ángel Carmelo Prieto Colorado

Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía Facultad de Ciencias

Universidad de Valladolid

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