La Geología como ciencia

La energía de la Tierra: flujo térmico, magnetismo y gravedad. Isostasia.

Procesos geológicos

Para que tengan lugar los procesos geológicos precisan de energía. Para el caso de la Tierra, la energía viene suministrada por:

• Energía calorífica (flujo de calor).
• Campo magnético.
• Campo gravitatorio.

· Energía calorífica. La Tierra tiene un balance energético negativo, es decir, que la energía emitida (1.6 · 10^-6 cal/cm² seg), es menor que la que recibe del exterior. La energía que emite la Tierra varía en función del punto que elijamos en la misma.

El calor en la Tierra aumenta con la profundidad, es lo que se conoce como gradiente geotérmico, cuyo valor medio es de 30 °C/Km.

· Campo magnético. El campo magnético es débil y de estructura dipolar, con un polo positivo y otro negativo, aunque a lo largo de la historia de la Tierra esto no ha sido siempre así, en algunos momentos ha existido multipolaridad o bien una polaridad invertida, es decir, con la disposición de los polos contraria a la actual. La ubicación actual de los polos magnéticos no coincide con la de los polos geográficos, el polo norte se encuentra desplazado hacia el Oeste (79° de latitud Norte y 70° longitud Oeste) y el sur hacia Este (79°S 110°E). El valor máximo magnético, se encuentra en los polos magnéticos, siendo menor el situado en el Ecuador, y esta intensidad se va perdiendo a lo largo del tiempo, por ejemplo, en lo que llevamos de siglo se ha perdido en torno a un 5%.

· Campo gravitatorio. La acción de este campo, produce una aceleración de 9.7 m/s², que es consecuencia de la interacción de las masas en el campo en que se halla. Este valor varía según las regiones y áreas locales debido a que la composición no es homogénea.

Energía calorífica

La media de calor emitida por los continentes es igual a la media de calor distribuida por los océanos. Por ejemplo, si el gradiente de temperatura fuera constante, tendríamos que la temperatura en el centro del planeta sería de:

30(gradiente geotérmico) · 6370(radio de la Tierra) = 191100 °C

lo que implica que el núcleo estaría fundido por la temperatura tan elevada que existiría, lo cual no es cierto, ya que, la práctica demuestra que el núcleo tiene una parte sólida. Ello nos lleva a ver cómo se origina el calor:

a) Un calor superficial (producido en la superficie).
b) Un calor interior.

Calor superficial

Este calor se origina por la desintegración de isótopos radioactivos (Th²³², U²³⁵, U²³⁸ y K⁴⁰). Estos isótopos se encuentran tanto en la corteza continental, como en la oceánica, pero en mayor medida en la continental, siendo responsables del 80% del calor producido.

Son isótopos de gran densidad (la densidad media es de U = 197 gr/cc y Th = 117 gr/cc), este dato, su elevada intensidad, entra en contradicción con la teoría que mantiene que los elementos menos pesados tienden a situarse en la superficie y los más pesados hacia el núcleo. Dicha contradicción se resuelve teniendo en cuenta que los elementos radioactivos se mezclan con el O₂, formando grandes masas cristalinas, lo cual hace que su densidad disminuya y con ello tiendan a desplazarse hacia la superficie.

Dentro de las rocas continentales, existen diferencias de flujo. Un factor que influye en estas diferencias es la antigüedad y la combinación tiempo-erosión. El que una zona sea más antigua que otra hace que los isótopos se presenten con menor actividad, por otro lado, si esa zona ha sufrido una erosión mayor, los isótopos disminuyen en dicha zona.

Calor interno

Se conoce también como calor primario y procede de la época en que se formó la Tierra. Por este calor ser recibe un 20% del total.

La Tierra adquiere este calor por:

Transporte del calor

El transporte del calor se produce por:

a) El transporte por conducción es mínima, la causa hay que buscarla en el hecho de que las rocas son malas conductoras.

b) Por radiación, el transporte de calor es efectivo a profundidades superiores a 100 Km., y resulta eficaz sólo en el caso de que las rocas estén cerca del punto de fusión.

Por convección, se verifica siempre y cuando el medio sea fluido o semifluido, por tanto se da en la astenosfera y en el núcleo interno.

Campo magnético

Se sabe que existe desde hace 3500 m.a. aproximadamente, porque así se desprende del estudio de las rocas. Su estructura es aproximadamente la de un dipolo. En este campo magnético creado, existen unas líneas de fuerza que van desde el polo positivo al negativo, por tanto existirá una concentración mayor en los polos (la gravedad es mayor), y menos en el Ecuador (la gravedad es más baja). La mayor parte del campo magnético generado en la corteza es debido a los dipolos.

El origen del campo magnético se basa en la ley de Maxwell, que afirma lo siguiente: "si hay un conductor en movimiento y una diferencia de potencial, se generará un campo magnético". A partir de este sistema Elsasser creó la dinamo autoinducida.

Trasladando el sistema anterior a la Tierra, tendríamos que el conductor sería el núcleo (Ni y Fe), dentro del núcleo existirían iones (Fe⁺² y Ni⁺²), su estado sería consecuencia de las altas presiones y temperaturas a las que se ven sometidos estos elementos, así, estando libres los iones en el núcleo, este se convertiría en un superconductor.

El movimiento, se originaría por la convección. Al ser fluido el núcleo, transporta calor hacia el manto donde se establecen células de convección más violentas. El movimiento, también se produce por el efecto de la rotación terrestre, el momento angular (L_NE) del núcleo externo y el momento angular del núcleo interno (L_NI) no es el mismo, es decir, existe un desfase entre ambos, lo cual produce turbulencias.

Si tenemos un conductor en movimiento se caga eléctricamente generando un campo magnético y por tanto un diferencia de potencial. Pero ¿cómo se consiguió esta diferencia de potencial?:

Anomalías magnéticas

Las anomalías magnéticas se deben a:

• Deriva secular.
• Inversiones magnéticas.
• Pérdida de intensidad.

· Deriva secular. La deriva secular consiste en el desplazamiento de los polos magnéticos. Por la fuerza de Coriolis, lo que se desplace de norte a sur y esté sobre un cuerpo que rota, en este caso la Tierra, que lo hace de E a W, hace que la trayectoria no sea recta, sino curva.

· Se sabe de la existencia de las inversiones magnéticas de los polos, por el estudio de la orientación de los elementos ferromagnéticos contenidos en las rocas, sobre todo, presentes en las rocas ígneas.

La imanación permanente de las rocas ígneas aparece al enfriarse el magma por debajo del punto de Curie (temperatura a la que tiene lugar la transición de material paramagnético a ferromagnético). En las rocas sedimentarias este fenómeno es mucho más débil y ello es debido a que hay partículas imantadas que al depositarse se orientan de acuerdo con el campo magnético terrestre.

La magnetización original -su intensidad y polaridad- puede verse alterada posteriormente por fenómenos térmicos, eléctricos o químicos que afectan a la roca, pero que en condiciones normales es estable y no se ve afectada por las variaciones que pueda experimentar posteriormente el campo magnético terrestre.

Las rocas que poseen una orientación normal (N) actual, son polares o positivas, y en caso contrario (R), son inversas o negativas.

Partiendo de estas inversiones, se puede hacer una escala de polaridad magnética.

¿Por qué se produce la inversión del campo magnético?

Se ha comprobado que la frecuencia de inversión de la polaridad, no tiene una periodicidad regular, ya que la polaridad se mantuvo estable durante los 30 m.a. del Pérmico, mientras que ha sufrido nueve inversiones en los 3.6 m.a. La causa de esta inversión (también se da en las dinamos industriales) no es conocida. El proceso de inversión se debe llevar a cabo en pocos miles de años, en los que la intensidad del campo magnético se ve reducida notablemente, de hecho, el campo dipolar se anula, existiendo sólo un componente no dipolar y con ello gran número de centros magnéticos. Este hecho puede influir directamente (aumentando la radiación cósmica y con ella la tasa de mutaciones) o indirectamente (cambios climáticos) sobre la evolución biológica.

En 1988, Hoffman, propuso dos teorías que explicarían esta inversión:

• Las células convectivas, que transportan calor desde el núcleo no son estables, haciendo que en algunos momentos liberen más calor, siendo esta la causa del cambio en los polos magnéticos.
• La otra sería debida al impacto de un asteroide contra la superficie de la corteza terrestre, el asteroide se desintegraría produciendo una gran masa de polvo que quedaría en suspensión sobre la corteza terrestre, impidiendo el paso de luz, creando así una especie de noche, lo que llevaría a una disminución en varios grados la temperatura de la Tierra, desarrollándose grandes masas de hielo, que provocaría la variación del momento de la Tierra, lo cual incidiría en las células convectivas del núcleo externo.

Campo gravitacional

La fuerza con que atrae el campo gravitatorio terrestre una partícula viene determinada por la siguiente expresión:

               ->     M m  ->
               F = G ----- u
                      r²

y la aceleración a la que atrae un cuerpo es:

              ->   G M
              a = ------
                    r²

De las dos fórmulas anteriores, se deduce que la aceleración es máxima si se sitúa el cuerpo en los polos (el radio terrestre es menor en los polos), y mínima si se hace en el Ecuador. Otro factor que influye en la gravedad es la densidad de los materiales que hay en la zona que se mide, ya que la Tierra no es homogénea.

El cálculo teórico de la gravedad se realiza a nivel de geoide, y a este cálculo efectuado se le hacen las correcciones pertinentes. Las correcciones realizadas son:

A la diferencia entre la media teórica de la gravedad y la real, se le denomina anomalía residual de gravedad. Esta anomalía nos da información sobre la distribución de masas y su densidad en la vertical de la zona donde se han realizado las medidas.

En función de que nos de un valor positivo o negativo, nos indica:

• Positivas: exceso de masas.
• Negativas: defecto de masa.

Dentro de estas dos, puede darse que sean:

• Regionales. Ocupan grandes extensiones de terreno. Normalmente las anomalías negativas se dan con más frecuencia en los continentes, mientras en los océanos son negativas, sobre todo.
• Locales. Se localiza sobre un punto concreto. Estas sirven para la localización de recursos.

Isostasia

El término isostasia fue introducido por Dutton en 1889, y define el equilibrio gravitatorio en todo el planeta, lo que preconiza unos requisitos en la vertical, para que unos bloques menos densos se eleven topográficamente, enraizados (o flotando según otra hipótesis) en un sustrato más denso.

Según esto, se distinguen bloques independientes unos de otros que se encuentran flotando en un medio fluido menos denso, que permiten que los bloques se hundan o se eleven. En función de lo dicho hasta el momento, existen varias hipótesis: