ORIGEN DE LA TIERRA

Tema 3: Evolución geoquímica y diferenciación de la tierra.

La acreción homogénea se produce cuando la tasa de acreción es baja comparada con la tasa de enfriamiento de la nebulosa, de tal modo que el equilibrio químico es mantenido entre lo condensado y los gases de la nebulosa

la acreción heterogénea surge cuando la acreción es relativamente rápida por lo que los condensados recientemente formados están aislados de, y no pueden equilibrarse con, los tempranamente condensados y los gases nebulosos remanentes.

Los modelos teóricos de acreción heterogénea (Clarke et al. 1972) a veces tienen una acumulación de alta temperatura inicial de aleaciones de Fe-Ni formando el proto-núcleo de La Tierra, seguido por acreción a baja temperatura de las partes externas.

Las consideraciones teóricas de la secuencia de condensación, a menudo, indica que los silicatos y óxidos ricos en Ca y Al se condensan antes del metal Fe-Ni. Anderson y Hanks (1972) han sugerido por lo tanto que el núcleo de la Proto-Tierra consiste de tales condensados de alta temperatura y eran ricos en Ca, Al, Ti, Th, U y REE (rare-earth elements). Después de la formación del núcleo, el hierro condensa a continuación, después los silicatos de Mg, seguido por los condensados ricos en K y los volátiles, incluyendo agua.

HISTORIA PREGEOLOGICA DE LA TIERRASecuencia de eventos que han ocurrido hasta que las condiciones físicas de la superficie del planeta son similares a las actuales (superficie parte roca, parte agua y con una temperatura media determinada por la radiación solar). Tierra como cuerpo planetario Existencia de corteza terrestre(4.6x109 años) (3.7x109 años) Suponiendo que la tierra se formó por acreación o acumulación gradual de planetésimos (condritos), cuya composición principal es: Fase metálica: Aleación metálica (Fe-Ni)Fase Sulfuro: Troilita (FeS)Fase pétrea o silicato: Olivino: (Fe,Mg)2SiO4 , Piroxeno: (Fe,Mg)SiO3 , y plagioclasa: (CaAl2Si2O8)

 Turekian en 1.972, propone un modelo de diferenciación de la tierra en capas:Considera la tierra en un principio como un aglomerado aproximadamente homogéneo de planetésimos tipo condritos. 

 Sigue un calentamiento del sistema debido al proceso de radiactividad de elementos inestables (Se estima que hace 4,5x109 años, el calor era unas 7 veces el actual). A los 0,6*109 años, se logra la temperatura de fusión de Fe (metálico) a unos 500 Km de profundidad, y se forma una capa de Fe fundido.

Lo anterior produce inestabilidad por la diferencia de densidad entre el Fe fundido y el material silicatado, produciendo el descenso gravitacional de "gotas de Fe fundido", lo que a su vez, produce un calor adicional alcanzando una temperatura de unos 2.000º C a los 100.000 años.

El material silicatado asciende a medida que el Fe desciende, ocurriendo fusión parcial, reacciones de fase fluida con sólida y cristalización fraccionada.

El modelo planteado produce la diferenciación del planeta en tres capas principales: Núcleo, Manto y Corteza. Posteriormente sigue el desarrollo de la Atmósfera, Hidrosfera y Biosfera.

  DIFERENCIACIÓN PRIMARIA DE LOS ELEMENTOSSuponemos acreación gradual de planetésimos (condritos) para la

formación de la tierra:

Meteoritos Condríticos

Fase metálica: (Fe-Ni)

Fase Sulfuro: FeS

Fase Silicato: (Mg,Fe)SiO3 (Mg,Fe)2SiO4

 Los elementos químicos se distribuyen entre las tres fases dependiendo de su afinidad por cada una de ellas.

La cantidad de Fe combinada está determinada por la cantidad de 0 + S. La distribución de los restantes metales electropositivos está controlada por:

M + Fe-Silicato<==

>M-Silicato + Fe

GFe-Silicato<==

>GM-Silicato

M + Fe-Sulfuro<==

>M-Sulfuro + Fe

GFe-Sulfuro<==

>GM-Sulfuro

El factor determinante de la distribución de los elementos es el Fe, debido a su abundancia cósmica preponderante y por estar presente en todas las fases condensadas:

M mas electropositivos que el Fe, lo desplazan de los silicatos. Compuestos de carácter iónico:

Li > K > Ba > Sr > Ca > Na > Mg > Al > Mn > Zn > Cr > Fe

M menos electropositivos que el Fe son desplazados por este de los silicatos y concentrados en la fase metálica

 

La fase sulfuro atrae elementos de electronegatividad intermedia, es decir, elementos capaces de formar enlaces homopolares (carácter covalente):

Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > Cu > Hg > Ag > AuLa distribución de los elementos químicos en un campo gravitatorio como la tierra, no está controlada por sus densidades o pesos atómicos, sino por su afinidad química en las distintas fases. La gravedad solo controla la posición relativa de las fases en el campo gravitatorio

Tabla 1 (Henderson, P., 1982. Tabla 4.1, pp 60).

Distribución de los elementos en el núcleo, manto y corteza.

La Tierra se divide en Núcleo, Manto y Corteza. Las densidades varía desde 12 a 2.8 g/cm3.

Esto se traduce en composiciones químicas de las capas diferentes.

ESTRUCTURA Y COMPOSICION DE LA TIERRAEl conocimiento de la composición y estructura interna de la

tierra, constituye un requisito indispensable para entender la GEOQUÍMICA

Fuentes de información: Datos directos: Perforaciones, minas (~ 10 Km.), afloramiento de rocas, actividad ígnea (volcanes activos) con los datos directos se pueden hacer pocas deducciones importantes. Datos indirectos (Geofísicos): Datos sísmicos Indican la presencia de discontinuidades dentro de la tierra y permiten conocer las constantes de elasticidad de los materiales internos.

Aceleración de gravedad en la superficie de la tierra y la constante gravitacional. Permite calcular la densidad promedio de la tierra.

Constante de presesión de los equinoccios. Permite calcular el momento de inercia y hacer inferencias de la distribución de la densidad en el interior del planeta.

Experimentos de laboratorio (Alta T, Alta P): Junto con la información que aporta la composición de los meteoritos, dan indicaciones del tipo de materiales que se ajustan mejor a los valores de las densidades y constantes de elasticidad aportados por los datos geofísicos. Datos Sísmicos: El análisis de las ondas producidas por los terremotos proporciona información del interior del planeta

CLASIFICACIÓN GEOQUÍMICA DE LOS ELEMENTOS: Goldschmidt (1.923): "...Los meteoritos representan un experimento natural de donde se puede deducir el comportamiento de los elementos químicos....."

 Según su afinidad química los clasifica en:1.      SIDERÓFILOS (fase Metálica) 2.      CALCÓFILOS (fase Sulfuro) 3.      LITÓFILO (fase Silicato) 4.      ATMÓFILO (Gases)

Los elementos se agrupan en:Siderófilos (liquido de Fe), calcófilos (líquido

sulfuroso), litófilos (líquido silicatado) y atmósfilos o fase gaseosa.

Distintos elementos se presentan en un grupoO es litófiloC y P se disuelven en Fe metálicoTl es calcófiloAu, Sn y Mo son siderófilosCo y Ni son siderófilosTi, Cr, y Mn son litófilos.

. Distribución y clasificación geoquímica de los elementos según Goldschmidt, su relación con la clasificación periódica. La composición química del Núcleo, Manto y Corteza Terrestre. Evidencias a partir de datos geofísicos. Predicciones posibles del comportamiento geoquímico de algunos elementos en base a la ley periódica. Distribución de los elementos mayoritarios, minoritarios y trazas.

TIPOS DE ONDAS: (Pasan a diferentes velocidades en distintos medios)

•Primarias (ondas p): Son las primeras detectadas por los sismógrafos (+ veloces). Poseen una vibración paralela a la dirección de propagación. Se transmiten tanto en medio líquido como en sólido.

•Secundarias (Ondas s): Son ondas más lentas que las "p", poseen una vibración en ángulo recto a la dirección de propagación. Solo se transmiten en medio sólido.

Primarias (ondas p)

“Empujan y Estiran”, en la dirección que viaja la onda

Secundarias (Ondas s)

Se mueven en dirección perpendicular a la dirección de viaje de la onda

Ondas p y s Juntas en la superficie

 

 El estudio de las velocidades de las ondas p y s, muestra una serie de discontinuidades en el interior del planeta, las cuales permiten establecer la siguiente división:Núcleo Interno: entre 5.150 - 6.370 Km, es sólido (1,7% de la masa del planeta), se encuentra como "suspendido" en el núcleo externo. Núcleo Externo: entre 2.890 - 5.150 Km, es líquido y caliente (30,8% de la masa del planeta) y presenta capas en movimiento conductoras de electricidad que al combinarse con la rotación del planeta producen el Campo Magnético de la Tierra. Manto Inferior: Entre 650 y 2.890 Km, posee el 49,2% de la masa del planeta y constituye el 72,9% de la masa del manto y corteza. Probablemente está compuesto de Si, Mg y O principalmente, además de Fe, Ca, y Al de forma similar a la abundancia cósmica en que se hallan en el sol y en los meteoritos. Zona de Transición(Mesosfera): Entre 400 y 650 Km, posee el 7,5% de la masa del planeta y el 11,1% de la masa del manto y corteza. Compuesto por silicatos y aluminosilicatos de estructura compleja, es la fuente de los magmas basálticos. Manto Superior: entre 10 y 400 Km, posee el 15,3% de la masa del sistema manto-corteza. Parte del manto superior se encuentra parcialmente fundido (Astenósfera). De la observación directa en cinturones orogénicos erosionados, la parte residual está compuesta principalmente de Olivino (Mg,Fe)2SiO4 y Piroxeno (Mg,Fe)SiO3. Corteza Oceánica: Entre 0 y 10 Km, posee el 0,099 de la masa del planeta, cubre el fondo de todos los océanos y es de composición basáltica. Corteza Continental: Entre 0 y 50 Km, posee el 0,374% de la masa del planeta, está constituida por rocas ricas en minerales de baja densidad; Cuarzo y Feldespatos principalmente.

Transformaciones de Fases en el Manto (Ringwood, 1975)

Ringwood (1975) propone un modelo de variación de la mineralogía con la profundidad, el cual está relacionado a las variaciones de densidad e inferidas de la variación de velocidad en las ondas P.Debajo de la discontinuidad de MOHOROVIC, se encuentra una zona de baja velocidad (la velocidad de las ondas sísmicas decrece). Esto se atribuye una fusión parcial del material del manto superior.

COMPOSICIÓN DEL NÚCLEO

 Los datos geofísicos muestran que no es posible obtener la densidad del núcleo como silicato u óxido de alta presión. Estos datos sugieren elementos de transición y el valor que satisface los datos de densidad del núcleo sugieren un elemento de un peso atómico de ~22, pero solo Fe presenta una abundancia cósmica considerable. Esto indica que el componente mayoritario debe ser Fe y debido a la presencia de otros elementos mas livianos como S, C, p y Si además de Ni pueden satisfacer los valores de densidad. Esto está fuertemente apoyado por el análisis de meteoritos metálicos (sideritos) donde se encuentra fases como Troilita (FeS) además de los otros lementos livianos antes nombrados.  El modelo de Arhens (1.9   ), propone a partir de datos geofísicos una concentración de S de ~9%. Partiendo de este valor y de la abundancia cósmica de los elementos, se puede determinar en forma sencilla la composición del núcleo de la Tierra: 1) Sistema (todo el núcleo):

 a)      Aleación Metálica = Fe + Ni (principalmente)b)      Aleación Metálica + Troilita = 100%  Fe + Ni + FeS = 100% 2) Troilita: a)      %Fe(FeS) = (%S/PatS)xPatFe = 15,7%b)      %FeS (troilita) = %S + %Fe(troilita) = 9,0 +15,7 = 24,7% 3) Aleación (Fe-Ni): a)      Aleación Metálica + Troilita = 100%b)      Aleación Metálica = 100 - 24,7 = 75,3% 

4) Fe Total: a)      Fetotal = Fe en la Aleación Metálica + Fetroilita b)      Fe en la Aleación Metálica = Aleación Metálica - Ni  Sustituyendo en 4a: c)      Fetotal =(Aleación Metálica - Ni) + Fetroilita

 5) Ni en el Núcleo: Utilizando la relación de abundancia cósmica de los elementos:  Ninúcleo = 0.0521 x Fetotal

 Sustituyendo en 4c: Fetotal =(Aleación Metálica - 0,0521 x Fetotal) +  Fetroilita

Fetotal + 0.0521 x Fetotal = Aleación Metálica +  Fetroilita

Fetotal (1 + 0,0521) = Aleación Metálica +  Fetroilita

1,0521x(Fetotal ) = 73,5 + 15,7 ===>Fetotal = 86,49%

 %Ni = 0,0521 x Fetotal = 0,0521 x 86,49 = 4,52

Sustituyendo en 4b:

Fe en la Aleación Metálica = Aleación Metálica - Ni = 75,3 - 4,52 = 70,8% Fe en la Aleación Metálica = 70,8%

Sustituyendo en 4a:

Fetotal = 70,8 + 15,7 = 86,5 Tablas Resumen: Composición del Núcleo:

Como fases mineralógicas (%):

Troilita (FeS) 24,7

Aleación Metálica (Fe-Ni) 75,3

Total: 100

Como elementos (totales, %):

S 9

Fe 86,5

Ni 4,5

Total: 100

Como compuestos Químicos (%):

FeS 70,8

Fe 24,7

Ni 4,5

Total: 100

COMPOSICIÓN PROMEDIO ESTIMADA PARA EL MANTO (% en peso)

(1) (2) (3) (4) (5)

SiO2 44.5 44.2 45.7 45.1 47.3

TiO2 0.15 0.09 0.09 0.5 0.2

Al2O3 2.6 2.8 3.4 4.1 4.1

Fe2O3 1.5 1.2 ---- 2.0 ----

Cr2O3 ----- 0.3 0.4 0.3 0.2

FeO 7.3 7.3 8.0 7.9 6.8

Mn0 0.14 0.14 0.14 0.2 0.2

Ni 0.2 0.27 0.17 0.2 0.2

MgO 41.7 41.0 38.4 36.7 37.9

CaO 2.3 2.5 3.1 2.3 2.8

Na2O 0.25 0.22 0.4 0.6 0.5

K2O 0.02 0.04 ---- 0.02 0.2

1. Promedio de 168 rocas ultramáficas (White, 1967). 2. 5 nódulos de manto peridotitico (Harris et al., 1967). 3. Pirolita (Ringwood, 1975). 4. Estimados de manto libre de volátiles (Nicholls, 1967). 5. 80% peridotita granatifera + 20% eclogita (Anderson,

1980).

COMPOSICIÓN  DE LA CORTEZAF.W. Clarke (1.924), estimó un espesor promedio de corteza continental de ~30 Km con la siguiente composición (en volumen):     La composición de la corteza fué estimada en base a los resultados obtenidos de 5.159 rocas analizadas (The data of Geochemistry, US Geological Survey, 1884-1925). Los análisis fueron agrupados geográficamente y los promedios de cada grupo coinciden en gran proporción. Esta composición muestra que la corteza es aproximadamente la misma en diferentes regiones, excepto para rocas de islas oceánicas donde la sílice es mas baja (¿Por Qué?).

SiO2 TiO2 Al2O

3

Fe2O

3

FeO MnO

MgO

CaO Na2

OK2O P2O5 H2O

59,1 1,1 15,3 3,1 3,8 0,1 3,5 5,1 3,8 3,1 0,3 1,1

 

Esta composición promedio obtenida corresponde a una roca intermedia entre granito y basalto,  reflejando mas el promedio de corteza continental que de corteza terrestre.   Las principales objeciones hechas a la manera como se obtuvo esta composición son las siguientes:         La distribución geográfica de la toma de muestras fue desigual (la mayor cantidad de muestras fueron tomadas en Norte América y Europa).          Distribución no estadística sobre diferentes tipos de rocas (rocas extrañas o exóticas son mas analizadas que las normales como granitos y basaltos, no se les dio un factor de peso o ponderación).          Carencia de asignación de peso estadístico según la cantidad de masa del tipo de roca.

Posteriormente Taylor y McLennan en 1985 proponen que la Corteza Continental consiste del 75% de promedio de rocas Arqueanas y 25% Corteza Andesítica. La composición resultante es mostrada en la columna 7 de la Tabla 1 (Faure, 1992, 10.3, pp157). Difiere de todas las otras estimaciones listadas en la misma Tabla 1 (Faure, 1992, 10.3, pp157) porque tiene un tanto más baja la concentración de SiO2, TiO2, Na2O, y K2O y más altas las concentraciones de Al2O3, Fe como FeO, MgO y CaO. Consecuentemente la composición química de la Corteza Continental propuesta Taylor y McLennan es un tanto más máfica que aquellas de sus predecesores. Sin embargo, esto reune la siguientes restricciones, las cuales son bastante importantes:

En conclusión se observa que la composición química de la Corteza Continental de La Tierra es muy diferente de la nebulosa solar y meteoritos.

Los nueve elementos más abundantes de la corteza continental y sus concentraciones promedio son los de la Tabla Nº 3. Todos los elementos restantes constituyen solamente una pequeña fracción de la corteza de La Tierra.

Elementos Trazas en la Corteza ContinentalTaylor y McLennan en 1985 también estimaron la concentración de los elementos

trazas en la Corteza Continental basados en el modelo bosquejado, que fue citado anteriormente. Esas estimaciones están listadas en la Tabla 4 (Faure, 1992, 10.5, pp159).

Una comparación de la abundancia de elementos en la Corteza Continental con aquellos del sistema solar indican que ha ocurrido una extensa diferenciación en la Tierra, que afecto la abundancia de los elementos químicos de acuerdo con sus propiedades geoquímicas (Tabla 3: Faure, 1992, Tabla 2.1)

• Los LIL (Elementos Litófilos de Grandes Iones) o elementos incompatibles incluyen:

• K, Rb, Cs, Sr, Ba, Y, REE, Zr, Hf, Nb, Ta, W, Th y U.

• Todos estos elementos tienen un gran factor de enriquecimiento atómico (figura 7) y están fuertemente concentrados en la corteza continental con respecto al sistema solar.

• Las REE son de naturaleza Litófila y están fuertemente enriquecidas en la corteza continental. Los datos en la Tabla 12 (Faure, 1992, Tabla 10.6, pp159) muestran que su factor de enriquecimiento decrece con el aumento del Nº atómico desde 26.8 para La (Lantanio, Z=57) a 4.9 para Lu (Lutecio, Z=71). La figura 8 (Faure, 1992, Figura 10.3A, pp 163) muestra esta tendencia e incluye Ba (z=56), cuyo factor de enriquecimiento es 43,6. La sistemática variación de la abundancia de las REE en la correlación de corteza continental con la disminución de su radio iónico se conoce como la contracción de los lantánidos.

Diferenciación de Rocas ÍgneasLa diferenciación comienza durante la formación del magma por fusión parcial

de rocas en la corteza o manto. La composición química de la roca resultante depende del Área fuente

Extensión de la fusión parcial, controlada por P y T.

Este magma puede modificarse por asimilación de roca encajante y mezcla de magmas. Por último, la cristalización del magma dependerá de su composición química y de las condiciones físicas de la cámara magmática. En un proceso de diferenciación pueden darse rocas ultramáficas y diferenciados ricos en Q.

Presentando la composición química de las rocas ígneas en términos de factores de enriquecimiento, reconocemos tres comportamientos geoquímicos:

1.Los factores de enriquecimiento incrementa monótonamente con el incremento en Si desde rocas ultramáficas a granitos bajos en Ca

2. El factor de enriquecimiento tiene un máximo en basaltos y granitos high Ca y luego decrece. El factor de enriquecimiento decrece con el enriquecimiento en Si.

Geoquímica de la hidrosfera, atmósfera y biosfera.

La Hidrosfera consiste de un número de reservorios de agua que están conectados por medio del ciclo hidrológico. La Tabla 5 (Faure, 1992, 10.8, pp172) indica que los océanos son por lejos los mayores reservorios de agua, con un 97,25% del volumen total, seguidos por las zonas con coberturas de hielo y glaciares y aguas subterráneas profundas, quedando una baja proporción como agua subterránea poco profunda, lagos y ríos.

Cuando las rocas ígneas, metamórfica y sedimentarias están en contacto con el agua o cerca de la superficie de La Tierra se producen diferentes tipos de reacciones químicas, lo cual colectivamente constituye “La Meteorización química o la interacción roca-agua”. Los resultados de esas reacciones depende no solamente de las condiciones químicas y físicas en el lugar, sino también de las propiedades de los minerales.

Cuando un mineral ha entrado en la hidrosfera está sujeto a otros tipos de procesos que pueden afectar su concentración. Por ejemplo algunos iones son absorbidos selectivamente por las superficies cargadas de los minerales de arcilla y partículas de óxidos e hidróxidos de Fe, Mn y Al. Otros elementos pueden entrar a la biosfera como nutrientes y volver asociados con organismos y compuestos de carbono biogénico. Los gases nobles son liberados en la atmósfera mientras que el oxígeno, dióxido de carbono y nitrógeno de la atmósfera se disuelven en el agua. Por otra parte la composición química del agua varía ampliamente y refleja, no solamente la composición mineral de las rocas con que ha interactuado, sino que es afectada por la geoquímica ambiental, la cual está determinada por el clima, topografía, vegetación y por la posible descarga de desechos industriales o municipales.

Las corrientes transportan los elementos disueltos en el agua a los océanos donde permanecen por periodos de tiempo variables. Los procesos geoquímicos operan en los océanos selectivamente, remueven elementos de las soluciones de tal manera que el agua de mar no es un simple promedio de aguas de ríos que han sido concentradas por evaporación. Esta afirmación se basa en el reconocimiento de las concentraciones promedio de los elementos en las corrientes y en los océanos Tabla 6 (Faure, 1992, 10.9, pp173).

La 5º columna en la tabla contiene los factores de enriquecimiento calculados, realizando la división de cada elemento en los océanos por su concentración promedio en las aguas de los ríos. El factor resultante varía ampliamente de 3350 para Br a aproximadamente 0.0006 para Th. Evidentemente los procesos en los océanos están cambiando su composición química en comparación con el agua de los ríos y en consecuencia, contribuyen a la diferenciación química en la hidrosfera. El eventual destino de todos los elementos y compuestos disueltos en los océanos es ser removido del mismo.

Los constituyentes disueltos en los océanos pueden ser divididos en grupos:

Conservadores (I en tabla de Faure, 1992, 10.9, pp173) No conservadores (II y III en tabla de Faure, 1992, 10.9, pp173).

Conservadores: Se presentan en proporciones constantes a lo largo de todos los océanos, aunque sus proporciones pueden variar por dilusión o concentración por evaporación. Este grupo incluye los elementos mayoritarios y complejos aniónicos Na, K, Mg, Ca, Cl, Sulfatos, boratos, etc.

No Conservadores: La concentración de este grupo varía con la profundidad así como también regionalmente dentro de los océanos y sus proporciones en las concentraciones con los cloruros no son constantes.

Tabla 7: Faure, 1992, 10.10, pp175Composición Química del Aire seco:

Concentración por volumen

Constituyentes % ppm

N2 78.084

O2 20.946

CO2 0.033

Ar 0.934

Ne 18.18

He 5.24

Kr 1.14

Xe 0.087

H2 0.5

CH4 2

N2O 0.5