DocumentCAPTULO 12El interior de la Tierra341Sondeo del interior
de la TierraNaturaleza de las ondas ssmicasOndas ssmicas y
estructurade la TierraCapas definidas por su composicinCapas
definidas por sus propiedades fsicasDescubrimiento de los
lmitesprincipales de la TierraDiscontinuidad de MohorovicicLmite
ncleo-mantoDescubrimiento del ncleo internoLa cortezaEl mantoEl
ncleoDensidad y composicinOrigenEl campo magntico terrestreLa
mquina trmica del interiorde la TierraFlujo de calor en la
cortezaConveccin del manto 12_Captulo 12 9/6/05 16:39 Pgina 341 El
interior de la Tierra est justo debajo de nosotros.Sin embargo, el
acceso directo a l contina siendomuy limitado. Los sondeos
perforados en la cortezaen busca de petrleo, gas y otros recursos
naturales slo al-canzan los ltimos 7 kilmetros, una minscula
fraccin delradio de la Tierra, que comprende 6.370 kilmetros.
Inclu-so el sondeo de Kola, un pozo de investigacin superpro-fundo,
localizado en un punto remoto del norte de Rusia,slo ha penetrado
12,3 kilmetros. Aunque la actividad vol-cnica se considera una
ventana al interior de la Tierra, por-que hace ascender los
materiales desde abajo, permite slouna ojeada a los 200 kilmetros
ms externos de nuestroplaneta.Afortunadamente los gelogos han
aprendido muchosobre la composicin y la estructura de la Tierra a
travs demodelos de computador, por medio de experimentos de
la-boratorio a altas presiones y de muestras del Sistema
Solar(meteoritos) que chocan con la Tierra. Adems, se han obte-nido
muchas pistas de las condiciones fsicas reinantes en elinterior de
nuestro planeta a travs del estudio de las ondasssmicas generadas
por los terremotos y las explosiones nu-cleares. Cuando dichas
ondas atraviesan la Tierra, llevan in-formacin a la superficie
sobre los materiales que atravesaron.Por consiguiente, cuando se
analizan con detenimiento, losregistros ssmicos proporcionan una
imagen de rayos X delinterior de la Tierra. Sondeo del interior de
la TierraMucho de lo que sabemos sobre el interior de
nuestroplaneta procede del estudio de las ondas ssmicas quecruzan
la Tierra. Dicho con sencillez, la tcnica consis-te en la
determinacin precisa del tiempo que las ondasP ( compresivas ) y S
( cizalla ) necesitan para desplazarse des-de un terremoto o
explosin nuclear hasta una estacinsismogrfica. Dado que el tiempo
necesario para que lasondas P y S viajen a travs de la Tierra
depende de laspropiedades de los materiales que cruzan, los
sismlogosbuscan variaciones relacionadas con el tiempo de
des-plazamiento que no puedan explicarse nicamente pordiferencias
en las distancias recorridas. Esas variacionescorresponden a
cambios en las propiedades de los mate-riales atravesados.Un
problema importante radica en que, para la ob-tencin de tiempos de
desplazamiento precisos, los sis-mlogos deben establecer la
localizacin y el momentoprecisos de produccin de un terremoto. Esto
suele seruna tarea difcil, porque la mayora de los terremotos
seproduce en zonas remotas. Por el contrario, el tiempo yla
localizacin exactos de un ensayo nuclear siempre se co-nocen con
exactitud. Pese a las limitaciones de estudiar lasondas ssmicas
generadas por los terremotos, los sismlo-gos de la primera mitad
del siglo XX fueron capaces de uti-lizarlas para detectar las
principales capas de la Tierra. Nofue hasta principios de los aos
60, cuando las pruebas nu-cleares estaban en su apogeo y se
desplegaron redes con-sistentes en centenares de sismgrafos muy
sensibles,cuando se establecieron con certeza las estructuras ms
fi-nas del interior de la Tierra.Naturaleza de las ondas
ssmicasPara examinar la composicin y la estructura de la
Tierra,primero debemos estudiar algunas de las propiedades b-sicas
de la transmisin de las ondas, o propagacin. Comose indic en el
Captulo 11, la energa ssmica viaja desdesu origen en todas las
direcciones en forma de ondas.(Con fines descriptivos, la prctica
comn es considerar elcamino seguido por estas ondas como rayos, o
lneas tra-zadas en perpendicular al frente de la onda, como se
mues-tra en la Figura 12.1.) Entre las caractersticas
significati-vas de las ondas ssmicas se cuentan:1.La velocidad de
las ondas ssmicas depende dela densidad y la elasticidad de los
materiales queatraviesan. Las ondas ssmicas viajan ms de-prisa en
los materiales rgidos, que retornanelsticamente a sus formas
originales cuandocesa el esfuerzo causado por una onda ssmica.Por
ejemplo, una roca cristalina transmite lasondas ssmicas ms deprisa
que una capa delodo no consolidada.2.Dentro de una capa
determinada, la velocidad delas ondas ssmicas aumenta generalmente
con laprofundidad, porque la presin aumenta y com-prime la roca
transformndola en un materialelstico ms compacto.3.Las ondas
compresivas (ondas P), que vibran ha-cia atrs y hacia delante en el
mismo plano que 342CAPTULO 12 El interior de la TierraFigura 12.1
La energa ssmica viaja en todas las direccionesdesde el origen de
un terremoto (foco). La energa puederepresentarse en forma de
frentes de onda en expansin o de rayosperpendiculares a los frentes
de onda. Origen del terremotoRayosFrentesde onda 12_Captulo 12
9/6/05 16:39 Pgina 342 su direccin de movimiento, son capaces de
pro-pagarse a travs de lquidos, as como de slidos,porque, cuando
estn comprimidos, esos mate-riales se comportan elsticamente, es
decir, seoponen a un cambio de volumen y, como una tirade goma,
vuelven a su forma original cuandopasa la onda (Figura 12.2A).4.Las
ondas de cizalla (ondas S), que vibran en n-gulo recto con respecto
a su direccin de des-plazamiento, no pueden propagarse a travs
delos lquidos, porque, a diferencia de los slidos,los lquidos no se
oponen a la cizalla (Figura12.2B). Es decir, cuando los lquidos son
some-tidos a fuerzas que actan para cambiar sus for-mas,
simplemente fluyen.5.En todos los materiales, las ondas P viajan
msdeprisa que las ondas S.6.Cuando las ondas ssmicas pasan de un
materiala otro, la trayectoria de la onda se refracta*. Ade-ms, la
discontinuidad (el lmite entre los dosmateriales diferentes)
refleja algo de la energa.Esto es similar a lo que ocurre a la luz
cuandopasa del aire al agua.Por tanto, dependiendo de la naturaleza
de las capas atravs de las cuales pasen, las ondas ssmicas van ms
r-pidas o ms lentas, y pueden refractarse o reflejarse. Es-tos
cambios medibles en los movimientos de las ondasssmicas permiten a
los sismlogos sondear el interior dela Tierra.Ondas ssmicas y
estructurade la TierraEl interior de la TierraOndas ssmicas y
estructurade la TierraSi la Tierra fuera un cuerpo perfectamente
homogneo,las ondas ssmicas se propagaran a travs de l en todaslas
direcciones, como se muestra en la Figura 12.3. Esasondas ssmicas
viajaran en lnea recta a una velocidadconstante. Sin embargo, esto
no es as en el caso de la Tie-rra. De hecho, ocurre que las ondas
ssmicas que llegan alos sismgrafos localizados en los puntos ms
alejados deun terremoto viajan a velocidades medias mayores que las
Ondas ssmicas y estructura de la Tierra343*Se produce refraccin
siempre que el rayo no se desplace perpendicu-larmente al lmite
entre dos medios.Figura 12.2 Transmisin de las ondas P y las ondas
S a travsde un slido.A.El paso de las ondas P hace que el
materialexperimente compresiones y expansiones alternas.B.El paso
de lasondas S produce un cambio de forma sin modificar el volumen
delmaterial. Dado que los lquidos se comportan elsticamente
cuandoson comprimidos (recuperan su forma original cuando cesa
elesfuerzo), transmitirn las ondas P. Sin embargo, ya que los
lquidosno permiten los cambios de forma, las ondas S no se
puedentransmitir a travs de los lquidos. (Tomado de O. M. Phillips,
TheHeart of the Earth, San Francisco, Freeman, Cooper y Co., 1968.)
A. Ondas PB. Ondas S Figura 12.3 Las ondas ssmicas viajaran en lnea
recta a travsde un planeta hipottico con propiedades uniformes y a
velocidadesconstantes. Comprese con la Figura 12.4. 12_Captulo 12
9/6/05 16:39 Pgina 343 que se registran en localizaciones ms
prximas al acon-tecimiento. Este incremento general de la velocidad
conla profundidad es una consecuencia del aumento de pre-sin, que
potencia las propiedades elsticas de las rocasprofundamente
enterradas. Como consecuencia, los ca-minos seguidos por los rayos
ssmicos a travs de la Tie-rra se refractan de la manera mostrada en
la Figura 12.4.Cuando se desarrollaron sismgrafos ms
sensibles,result ms evidente que, adems de cambios graduales enlas
velocidades de las ondas ssmicas, tambin se producencambios de
velocidad bastante abruptos a profundidadesconcretas. Dado que
estas discontinuidades se detectaronen todo el mundo, los sismlogos
llegaron a la conclusinde que la Tierra deba estar compuesta por
distintas capascon propiedades mecnicas o composicionales, o
ambascosas, variables (Figura 12.5).Capas definidas por su
composicinLa separacin en capas de distinta composicin se produ-jo
probablemente por la estratificacin por densidadesque tuvo lugar
durante el perodo de fusin parcial de lasprimeras etapas de la
historia de la Tierra. Durante esteperodo, los elementos ms
pesados, principalmente elhierro y el nquel, se fueron hundiendo a
medida que loscomponentes rocosos ms ligeros flotaban hacia
arriba.Esta segregacin del material sigue ocurriendo todava,pero a
un ritmo mucho ms reducido. Debido a esta dife-renciacin qumica, el
interior de la Tierra no es homo-gneo. Antes bien, consiste en tres
regiones principalesque tienen composiciones qumicas notablemente
dife-rentes (Figura 12.6).Las principales capas que componen la
Tierra son: la corteza, capa externa comparativamente finacuyo
grosor oscila entre 3 kilmetros, en las cor-dilleras ocenicas, y 70
kilmetros, en algunoscinturones montaosos como los Andes y el
Hi-malaya;el manto, una capa de roca slida (rica en slice)que se
extiende hasta una profundidad de unos2.900 kilmetros;el ncleo, una
esfera rica en hierro con un radiode 3.486 kilmetros.Consideraremos
la composicin y la estructura de estasdivisiones principales del
interior de la Tierra en una sec-cin posterior de este
captulo.Capas definidas por sus propiedadesfsicasEl interior de la
Tierra se caracteriza por un aumento gra-dual de la temperatura, la
presin y la densidad con la pro-fundidad. Los clculos sitan la
temperatura a una profun-didad de 100 kilmetros entre los 1.200 C y
los 1.400 C,mientras que la temperatura del centro de la Tierra
supe-ra los 6.700 C. Est claro que el interior de la Tierra
haretenido gran parte de la energa adquirida durante losaos en que
se form, a pesar de que el calor fluye de ma-nera continua hacia la
superficie, donde se pierde en el es- 344CAPTULO 12 El interior de
la TierraFigura 12.4 Trayectorias de las ondas a travs de un
planetadonde la velocidad aumenta con la profundidad. Figura 12.5
Unas pocas de las muchas trayectorias posiblesque los rayos ssmicos
siguen a travs de la Tierra. 12_Captulo 12 9/6/05 16:39 Pgina 344
pacio. El aumento de la presin con la profundidad provocaun
incremento correspondiente de la densidad de las rocas.El aumento
gradual de la temperatura y la presincon la profundidad afecta las
propiedades fsicas y, por tan-to, el comportamiento mecnico de los
materiales terres-tres. Cuando se calienta una sustancia, sus
enlaces qumi-cos se debilitan y su resistencia mecnica (resistencia
a ladeformacin) se reduce. Si la temperatura supera el pun- Ondas
ssmicas y estructura de la Tierra345Figura 12.6 Vistas de la
estructura estratificada de la Tierra. El lado izquierdo de la
seccin transversal principal muestra que el interior dela Tierra se
divide en tres capas diferentes segn las diferencias
composicionales: la corteza, el manto y el ncleo. El lado derecho
de laseccin transversal del globo representa las cinco principales
capas del interior de la Tierra segn sus propiedades fsicas y, por
tanto, suresistencia mecnica: la litosfera, la astenosfera, la
mesosfera, el ncleo externo y el ncleo interno. Los diagramas en
bloque encima de laseccin transversal del globo muestran una vista
ampliada de la porcin superior del interior de la Tierra. Corteza
58 kmNcleoexternoNcleointernoCortezacontinentalCorteza
ocenicaProfundidad (km)100200Litosfera(esfera de
roca)Astenosfera(esfera dbil)MantoMesosferaProfundidad
(km)50010001500660LitosferaAstenosferaMesosferaLitosfera5-250
kmNcleo12_Captulo 12 9/6/05 16:39 Pgina 345 to de fusin de un
material terrestre, los enlaces qumicosdel material se rompen y se
produce la fusin. Si la tem-peratura fuera el nico factor que
determina si una sus-tancia se funde, nuestro planeta sera una
esfera fundidacubierta por una corteza externa delgada y slida. Sin
em-bargo, la presin tambin aumenta con la profundidad ytiende a
incrementar la resistencia de las rocas. Adems,puesto que la fusin
va acompaada de un aumento delvolumen, se produce a temperaturas ms
elevadas en pro-fundidad debido a la mayor presin de
confinamiento.Por tanto, segn el entorno fsico (temperatura y
pre-sin), un material terrestre particular puede comportarsecomo un
slido frgil, deformarse como la masilla o in-cluso fundirse y
convertirse en lquido.La Tierra puede dividirse en cinco capas
principa-les segn sus propiedades fsicas y, por tanto, su
resisten-cia mecnica: la litosfera, la astenosfera, la mesosfera (
mantoinferior ), el ncleo externo y el ncleo interno.Litosfera y
astenosfera Segn sus propiedades fsicas, lacapa ms externa de la
Tierra est formada por la cortezay el manto superior y forma un
caparazn relativamentefro y rgido. Aunque esta capa est compuesta
por mate-riales con composiciones qumicas notablemente diferen-tes,
tiende a actuar como una unidad que exhibe un com-portamiento
rgido, principalmente porque es fra y, portanto, fuerte. Esta capa,
denominada litosfera ( esfera deroca ), tiene un grosor medio de
100 kilmetros, pero pue-de extenderse 250 kilmetros o ms por debajo
de las por-ciones ms antiguas de los continentes (Figura 12.6).
Den-tro de las cuencas ocenicas, la profundidad de la litosferaes
de slo unos pocos kilmetros debajo de las dorsalesocenicas y
aumenta hasta casi 100 kilmetros en las re-giones de la corteza
ocenica ms antiguas y ms fras.Debajo de la litosfera, en el manto
superior (a unaprofundidad de unos 660 kilmetros), se extiende
unacapa blanda, relativamente dbil, conocida como aste-nosfera
(esfera dbil). En la parte superior de la astenosfe-ra se dan unas
condiciones de temperatura/presin queprovocan una pequea cantidad
de fusin. Dentro de estazona de debilidad, la litosfera est
mecnicamente despe-gada de la capa inferior. El resultado es que la
litosferapuede moverse con independencia de la astenosfera, untema
que consideraremos en el prximo captulo.Es importante destacar que
la resistencia de los di-versos materiales terrestres es en funcin
de su composi-cin, as como de la temperatura y la presin de su
entor-no. No debe sacarse la idea de que toda la litosfera
secomporta como un slido frgil parecido a las rocas quese
encuentran en la superficie. Antes bien, las rocas de lalitosfera
se calientan y se debilitan (se deforman ms f-cilmente)
progresivamente al aumentar la profundidad. Ala profundidad de la
astenosfera superior, las rocas estnlo suficientemente cerca de su
temperatura de fusin (dehecho, puede producirse algo de fusin) como
para que sedeformen con facilidad. Por tanto, la astenosfera
superiores dbil porque est cerca de su punto de fusin, de la mis-ma
manera que la cera caliente es ms plstica que la cerafra.Mesosfera
o manto inferior Por debajo de la zona de de-bilidad de la
astenosfera superior, la mayor presin con-trarresta los efectos de
la temperatura ms elevada y las ro-cas son gradualmente ms
resistentes con la profundidad.Entre las profundidades de 660
kilmetros y 2.900 kil-metros, se encuentra una capa ms rgida
llamada me-sosfera (esfera media) o manto inferior (Figura 12.6).
Apesar de su resistencia, las rocas de la mesosfera estn to-dava
muy calientes y pueden fluir de una manera muygradual.Ncleo interno
y externo El ncleo, que est compuestoprincipalmente por una aleacin
de hierro y nquel, se di-vide en dos regiones que exhiben
resistencias mecnicasmuy diferentes (Figura 12.6). El ncleo externo
es unacapa lquida de 2.270 kilmetros de espesor. El flujo
con-vectivo del hierro metlico en el interior de esta zona esel que
genera el campo magntico de la Tierra. El ncleointerno es una
esfera con un radio de 3.486 kilmetros.A pesar de su temperatura ms
elevada, el material del n-cleo interno es ms fuerte (debido a la
inmensa presin)que el ncleo externo y se comporta como un
slido.Descubrimiento de los lmitesprincipales de la TierraDurante
el siglo XIX, se fueron compilando y analizandolos datos
sismolgicos recogidos en muchas estacionessismogrficas. A partir de
esta informacin, los sismlo-gos han desarrollado una imagen
detallada del interior dela Tierra (Figura 12.6). Este modelo est
siendo conti-nuamente ajustado a medida que se dispone de ms da-tos
y que se emplean nuevas tcnicas ssmicas. Adems,los estudios de
laboratorio que determinan experimen-talmente las propiedades de
los diversos materiales de laTierra bajo los ambientes extremos de
las zonas profun-das de nuestro planeta, aaden informacin a nuestro
co-nocimiento.Discontinuidad de MohorovicicEn 1909, un pionero
sismlogo yugoslavo, Andrija Mo-horovicic, presentaba la primera
prueba convincente de ladistribucin en capas del interior de la
Tierra. El lmiteque descubri separa los materiales de la corteza de
las ro-cas de composicin diferente del manto subyacente y se
346CAPTULO 12 El interior de la Tierra 12_Captulo 12 9/6/05 16:40
Pgina 346 denomin discontinuidad de Mohorovicic en su honor.Por
razones obvias, el nombre de este lmite rpidamen-te se abrevi a
Moho.Mediante un examen minucioso de los sismogra-mas de los
terremotos superficiales, Mohorovicic descu-bri que las estaciones
sismogrficas alejadas ms de 200kilmetros de un terremoto obtenan
velocidades mediasapreciablemente mayores para las ondas P que las
esta-ciones localizadas ms cerca del sismo (Figura 12.7).
Enparticular, la velocidad media de las ondas P, que eran
lasprimeras en llegar a las estaciones ms prximas, era deunos 6
kilmetros por segundo. Por el contrario, la ener-ga ssmica
registrada en estaciones ms distantes viajabaa velocidades
aproximadas a los 8 kilmetros por segun- Descubrimiento de los
lmites principales de la Tierra347Figura 12.7 Trayectorias
idealizadas de las ondas ssmicas que viajan desde el foco de un
terremoto a tres estaciones sismogrficas. EnAyB,puede verse que las
dos estaciones de registro ms prximas reciben primero las ondas ms
lentas, porque las ondas viajaron unadistancia ms corta. Sin
embargo, como se muestra enC,despus de 200 kilmetros, las primeras
ondas recibidas atravesaron el manto, quees una zona de mayor
velocidad. FocoEstacin ssmica 1Estacin ssmica 2Estacin ssmica 3100
km200 km300 kmOndas profundasCorteza(la velocidad mediade las ondas
P es de 6 km/s)Manto superior(la velocidad mediade las ondas P es
de 8 km/s)MohoA. Momento 1 - Las ondas superficiales ms lentas
llegan primero a la estacin ssmica 1Ondas profundasCortezaMantoB.
Momento 2 - Las ondas superficiales ms lentas llegan primero a la
estacin ssmica 2Ondas profundasC. Momento 3 - Las ondas ms
profundas y ms rpidas llegan primero a la estacin ssmica
3tFocoFocoMohoCortezaMantoMohoEstacin ssmica 1Estacin ssmica
2Estacin ssmica 3100 km200 km300 kmEstacin ssmica 1Estacin ssmica
2Estacin ssmica 3100 km200 km300 km 12_Captulo 12 9/6/05 16:40
Pgina 347 do. Este brusco salto de velocidad no encajaba con el
mo-delo general que se haba observado previamente. A par-tir de
esos datos, Mohorovicic concluy que por debajo de50 kilmetros
exista una capa con propiedades notable-mente diferentes de las
correspondientes a la capa ms ex-terna de la Tierra.En la Figura
12.7 se ilustra cmo Mohorovicic lle-g a esta importante conclusin.
Ntese que la primeraonda que alcanz el sismgrafo localizado a 100
kilme-tros del epicentro sigui la ruta ms corta directamente atravs
de la corteza. Sin embargo, en el sismgrafo loca-lizado a 300
kilmetros del epicentro, la primera onda Pque lleg viaj a travs del
manto, una zona de mayor ve-locidad. Por tanto, aunque esta onda
viaj una distanciamayor, alcanz el instrumento de registro antes de
que lohicieran los rayos que siguieron la ruta ms directa. Estose
debe a que una gran parte de su viaje la realiz a travsde una regin
cuya composicin facilitaba el desplaza-miento de las ondas ssmicas.
Este principio es anlogo alde tomar un atajo alrededor de una gran
ciudad duranteuna hora punta. Aunque esta va alternativa es ms
larga,puede ser ms rpida.Lmite ncleo-mantoUnos pocos aos despus, en
1914, el sismlogo alemnBeno Gutenberg estableci la localizacin de
otro lmiteimportante*. Este descubrimiento se bas fundamental-mente
en la observacin de que las ondas P disminuyen yfinalmente
desaparecen por completo a unos 105 desdeun terremoto (Figura
12.8). Luego, alrededor de 140ms lejos, reaparecen, pero unos 2
minutos despus de loque cabra esperar en funcin de la distancia
recorrida.Este cinturn, donde las ondas ssmicas directas estn
au-sentes, tiene una anchura de unos 35 y se ha denomina-do zona de
sombra de las ondas P ** (Figura 12.8).Gutenberg y otros
investigadores antes que l sedieron cuenta de que la zona de sombra
de la onda P po-dra explicarse si la Tierra contuviera un ncleo
com-puesto de un material diferente al del manto supraya-cente. El
ncleo, que Gutenberg calcul localizado auna profundidad de 2.900
kilmetros, debe obstaculizarla transmisin de las ondas P de algn
modo similar acomo los rayos de luz son bloqueados por un objeto
queemite una sombra. Sin embargo, lo que realmente ocu-rre no es
que las ondas P se interrumpan, sino que lazona de sombra se
produce por la refraccin de dichasondas, que entran en el ncleo
como se muestra en la Fi-gura 12.8.Ms adelante, se determin que las
ondas S no atra-viesan el ncleo. Este hecho indujo a los gelogos a
con-cluir que, al menos una parte de esta regin, es lquida(Figura
12.9). Esta conclusin fue apoyada ulteriormen-te por la observacin
de que las velocidades de las ondasP disminuyen de manera sbita,
aproximadamente un 40por ciento, cuando entran en el ncleo. Dado
que la fu-sin reduce la elasticidad de las rocas, esta
evidenciaapunta a la existencia de una capa lquida por debajo
delmanto rocoso.Descubrimiento del ncleo internoEn 1936, Inge
Lehmann, una sismloga danesa, predijola ltima subdivisin importante
del interior de la Tie-rra ( vase Recuadro 12.1). Lehmann descubri
una nue-va regin de reflexin y refraccin ssmicas dentro delncleo.
Por consiguiente, se descubri un ncleo dentrodel ncleo. El tamao
del ncleo interno no se estable-ci con precisin hasta principios de
los aos sesenta,cuando se llevaron a cabo las pruebas nucleares
subte-rrneas en Nevada. Al conocerse la localizacin y el mo-mento
exactos de las explosiones, los ecos de las ondasssmicas que
rebotaban del ncleo interior proporciona-ron una medida precisa
para determinar su tamao (Fi-gura 12.10). 348CAPTULO 12 El interior
de la TierraFigura 12.8 El brusco cambio de propiedades fsicas que
seproduce en el lmite ncleo-manto hace que las trayectorias de
lasondas se desven notablemente, lo que se traduce en una zona
desombra para las ondas P entre unos 105 y unos 140. Epicentro del
terremoto105Zona de sombrade las ondas P140180Registrode ondas
P140105Registrode ondas PMantoNcleoexternoNcleointernoZona
desombrade lasondas P *El lmite ncleo-manto haba sido predicho por
R. D. Oldham en1906, pero sus argumentos a favor de un ncleo
central no fueron, engeneral, bien aceptados.**A medida que se
desarrollaron instrumentos ms sensibles, se detec-taron ondas P
dbiles y retrasadas que entraban en esta zona mediantereflexin.
12_Captulo 12 9/6/05 16:40 Pgina 348 A partir de estos datos, se
descubri que el ncleointerno tiene un radio de unos 1.216
kilmetros. Adems,las ondas P que atraviesan el ncleo interno tienen
velo-cidades medias apreciablemente ms rpidas que las queslo
penetran en el ncleo externo. El aparente aumentode elasticidad del
ncleo interno es una prueba de que estaregin ms interna es slida.En
las ltimas dcadas, los avances en sismologa ymecnica de rocas han
permitido grandes refinamientosdel modelo del interior de la Tierra
que se ha presentadohasta aqu. A continuacin consideraremos algunos
deellos, as como otras propiedades de las divisiones princi-pales,
entre ellas sus densidades y composiciones. La cortezaLa corteza de
la Tierra tiene un grosor medio inferior a20 kilmetros, lo que la
convierte en la ms fina de las di-visiones terrestres (Figura
12.6). A lo largo de esta delga-da capa, parecida a la cscara de un
huevo, existen gran-des variaciones de grosor. Las rocas de la
corteza en el in-terior estable de los continentes tienen un grosor
de 35 a40 kilmetros. Sin embargo, en unas pocas regiones mon-taosas
excepcionalmente destacadas, la corteza alcanza sumayor espesor,
superando los 70 kilmetros. La cortezaocenica es mucho ms delgada,
entre 3 y 15 kilmetrosde grosor y un grosor medio de 7 kilmetros.
Adems, lasrocas de la corteza de las cuencas ocenicas profundas
sondiferentes, desde el punto de vista de su composicin, desus
compaeras continentales.Las rocas continentales tienen una
densidad* mediade alrededor de unos 2,7 g/cm , y se han descubierto
al-3gunas que superan los 4.000 millones de aos de antige-dad. A
partir de los estudios ssmicos y de las observacio-nes directas, se
calcula que la composicin media de lasrocas continentales es
comparable a la de las rocas gneas La corteza349Figura 12.9 Vista
del interior de la Tierra que muestra las trayectorias de las ondas
P y S. Cualquier punto situado a ms de 105 delepicentro del
terremoto no recibir ondas S directas, ya que el ncleo externo no
las transmitir. Aunque tampoco hay ondas P despus delos 105, esas
ondas son registradas ms all de los 140, como se muestra en la
Figura 12.8. Epicentro del terremoto105140105140LeyendaOnda POnda
SOnda POnda SLa estacin ssmica registralas ondas P y las SLa
estacin ssmica no registrani las ondas P ni las ondas SLa estacin
ssmica registraslo las ondas POnda P *El agua lquida tiene una
densidad de 1 g/cm ; por consiguiente, las ro-3cas de la corteza
tienen una densidad casi tres veces la del agua. 12_Captulo 12
9/6/05 16:40 Pgina 349 flsicas de tipo granodiorita. Como esta
ltima, la cortezacontinental es rica en los elementos sodio,
potasio y sili-cio. Aunque son abundantes numerosas intrusiones
gra-nticas y rocas metamrficas qumicamente equivalentes,en los
continentes se encuentran tambin con frecuenciagrandes
afloramientos de rocas baslticas y andesticas.Adems, se cree que la
corteza inferior tiene una compo-sicin similar al basalto.Las rocas
de la corteza ocenica son ms jvenes(180 millones de aos o menos) y
ms densas (unos3,0 g/cm ) que las rocas continentales. Las cuencas
oceni-3cas profundas yacen debajo de 4 kilmetros de agua de mar,as
como de centenares de metros de sedimento. Por tanto,hasta hace
poco, los gelogos tenan que depender de prue-bas indirectas (como
algunas unidades geolgicas que sepensaba que eran restos de corteza
ocenica que cabalgabanhacia tierra) para calcular la composicin de
esta regin in-accesible. Con el desarrollo de barcos oceanogrficos,
sehizo posible recuperar muestras de sondeos del suelo oce-nico
profundo. Como se haba previsto, las muestras obte-nidas estaban
compuestas fundamentalmente por basalto.Recordemos que las
erupciones volcnicas de lavas baslti-cas han generado muchas islas,
como la cadena de Hawaii,localizadas dentro de las cuencas ocenicas
profundas. 350CAPTULO 12 El interior de la Tierra Recuadro
12.1Entender la TierraInge Lehmann: una geofsica pionera*Inge
Lehmann fue una cientfica pioneraen una poca en la que pocas
mujeres te-nan carreras de ciencias y matemticas(Figura 12.A).
Nacida en Dinamarca en1888, Lehmann tuvo una vida larga y
pro-ductiva que incluy importantes contri-buciones a nuestro
conocimiento del in-terior de la Tierra. Muri en 1993 a los105 aos
de edad.Despus de estudiar la licenciatura enla Universidad de
Copenhague y en laUniversidad de Cambridge, Lehmannobtuvo dos
master de la Universidad deCopenhague: uno en matemticas en1920 y
otro en geodesia en 1928. En losaos posteriores estudi en
Alemania,Francia, Blgica y los Pases Bajos.La carrera de Inge
Lehmann en sis-mologa empez en 1925, cuando ayuda establecer las
redes ssmicas en Dina-marca y Groenlandia. Tres aos despus,en 1928,
fue nombrada primera directo-ra del departamento de sismologa
delReal Instituto Geodsico Dans, un car-go que mantuvo durante 25
aos. Regis-traba, analizaba y catalogaba los sismo-gramas de
Dinamarca y Groenlandia ypublicaba boletines ssmicos.Un artculo que
public en 1936 fue elque estableci su lugar en la historia de
lageofsica. Conocido simplemente comoP ( P prima ), en el artculo
se identificabauna nueva regin de reflexin y refraccinssmicas en el
interior de la Tierra, ahoradenominado la discontinuidad de
Lehmann(Figura 12.B). Gracias a su escrutinio ri-guroso de los
registros ssmicos, Leh-mann haba descubierto el lmite que di-vide
el ncleo terrestre en partes internasy externas.Lehmann recibi
muchos honores enreconocimiento por sus logros extraordi-narios.
Entre ellos se cuentan la Medallade Oro de la Real Academia de
Cienciasde Dinamarca en 1965, la medalla Bowiede la Unin Geofsica
de Norteamricaen 1971 y la medalla de la Sociedad Sis-molgica de
Norteamrica en 1977. En1997, la Unin Geofsica de Norteamri-ca (AGU)
cre la medalla Lehmann enreconocimiento de la sobresaliente
inves-tigacin sobre la estructura, la composi-cin y la dinmica del
manto y el ncleoterrestres. Fue la primera medalla otor-gada por la
AGU que recibe el nombre deuna mujer y la primera que recibe el
nom-bre de alguien que trabaj fuera de losEstados Unidos. Figura
12.A Inge Lehmann, 1888-1993.(Foto cortesa de Susan M. Landon.)
Figura 12.B Localizacin de ladiscontinuidad de Lehmann. *Este
recuadro fue preparado por Nancy L. Lutgens. 12_Captulo 12 9/6/05
16:40 Pgina 350 El mantoAproximadamente el 82 por ciento del
volumen terrestreest contenido dentro del manto, una capa gruesa de
casi2.900 kilmetros de espesor formada por rocas silicatadasque se
extiende desde la base de la corteza (Moho) hastael ncleo externo
lquido. Nuestro conocimiento de lacomposicin del manto procede de
datos experimentalesy del examen de material trado a la superficie
por la acti-vidad volcnica. En concreto, se piensa a menudo que
lasrocas que constituyen las chimeneas de kimberlita, en lascuales
se encuentran a veces diamantes, tienen su origenen profundidades
prximas a los 200 kilmetros, muy enel interior del manto. Los
depsitos de kimberlita estncompuestos por peridotitas, rocas que
contiene hierro y si-licatos ricos en magnesio, fundamentalmente
olivino ypiroxeno, junto con cantidades menores de granate. Ade-ms,
dado que las ondas S viajan fcilmente a travs delmanto, sabemos que
este ltimo se comporta como un s-lido elstico. Por tanto, el manto
se describe como unacapa rocosa slida, cuya porcin superior tiene
la compo-sicin de la roca ultramfica peridotita.El manto se divide
en mesosfera o manto inferior, quese extiende desde el lmite
ncleo-manto hasta una pro-fundidad de 660 kilmetros; y astenosfera
o manto superior,que contina hasta la base de la corteza. Adems, se
hanidentificado otras subdivisiones. A una profundidad deunos 410
kilmetros se produce un aumento relativa-mente abrupto de la
velocidad ssmica (Figura 12.11).Mientras el lmite corteza-manto
representa un cambiode composicin, la zona de aumento de velocidad
ssmi-ca al nivel de los 410 kilmetros se debe a un cambio defase.
(Se produce un cambio de fase cuando la estructuracristalina de un
mineral se modifica en respuesta a cam-bios de la temperatura o de
la presin, o ambas cosas.)Los estudios de laboratorio demuestran
que el mineralrico en magnesio olivino (MgSiO ), que es uno de
los4constituyentes principales de la peridotita, se transfor-mar en
el mineral de alta presin ms compacto espine-la, a las presiones
experimentadas a esta profundidad (Fi-gura 12.12). Este cambio a
una forma cristalina msdensa explica el aumento observado de las
velocidadesssmicas.Se ha detectado otro lmite dentro del manto
comoconsecuencia de variaciones en la velocidad ssmica a
unaprofundidad de 660 kilmetros (Figura 12.11). A esa pro-fundidad,
se cree que el mineral espinela experimenta unatransformacin al
mineral perovskita (Mg, Fe) SiO . Se3cree que la perovskita domina
en el manto inferior, por loque quiz sea el mineral ms abundante de
la Tierra.En los aproximadamente 200 kilmetros inferioresdel manto,
existe una regin importante conocida comocapa D.Recientemente, se
ha publicado que las ondas El manto351Figura 12.10 Se utilizaron
los tiempos de desplazamiento delas ondas ssmicas generadas en
pruebas nucleares para medir conexactitud la profundidad del ncleo
interno. Una serie desismgrafos localizados en Montana detect los
ecos querebotaron desde el lmite del ncleo interno. Pruebas
nucleares(Nevada)Serie de sismgrafos(Montana)Manto rocosoNcleo
externo lquido Ncleo interno slido? A VECES LOS ALUMNOSPREGUNTANEn
comparacin con la corteza continental,la corteza ocenica es
bastante delgada. Algunavez se ha intentado perforarla para
obteneruna muestra del manto?S. El proyecto Mohole se inici en 1958
para recuperar unamuestra de material procedente del manto
terrestre perfo-rando un agujero que atravesara la corteza de la
Tierra has-ta la discontinuidad de Mohorovicic o Moho. El plan era
perfo-rar Moho para obtener informacin valiosa acerca de la edad,la
composicin y los procesos internos de la Tierra. A pesarde una fase
de pruebas satisfactoria, la perforacin se detuvoporque el control
del proyecto fue de una organizacin aotra hasta que el Congreso,
oponindose al aumento de loscostes, suspendi el proyecto a finales
de 1966, antes de quepudiera llevarse a cabo la Fase II. Aunque el
proyecto Moholeno alcanz su propsito, s mostr que la perforacin
oce-nica profunda era un modo viable de obtener muestras
geo-lgicas. Desde la desaparicin del Mohole, se han empren-dido
varios programas relacionados, el ms reciente de loscuales es el
Ocean Drilling Program, que proporciona infor- macin valiosa sobre
la historia de la Tierra. 12_Captulo 12 9/6/05 16:40 Pgina 351
ssmicas que atraviesan algunas partes de la capa Dexpe-rimentan un
notable descenso en las velocidades de las on-das P. Hasta ahora,
la mejor explicacin para este fen-meno es que la capa inferior del
manto est parcialmentefundida al menos en algunos lugares.Si
existen, estas zonas de roca parcialmente fundidason muy
importantes, porque seran capaces de transpor-tar calor desde el
ncleo al manto inferior de una mane-ra mucho ms eficaz que la roca
slida. Un ritmo elevadode flujo de calor hara, a su vez, que el
manto slido loca-lizado por encima de esas zonas parcialmente
fundidas secalentara lo bastante como para adquirir flotabilidad y
as-cender lentamente hacia la superficie. Estas plumas as-cendentes
de roca supercaliente pueden ser la fuente de laactividad volcnica
asociada con los puntos calientes,como los encontrados en Hawaii e
Islandia. Si estas ob-servaciones son exactas, una parte de la
actividad volcni-ca que vemos en la superficie es una manifestacin
deprocesos que se producen a 2.900 kilmetros por debajode nuestros
pies. El ncleoMayor que el planeta Marte, el ncleo es la esfera
centraldensa de la Tierra con un radio de 3.486 kilmetros.
Ex-tendindose desde el borde inferior del manto hasta elcentro de
la Tierra, el ncleo constituye alrededor de unasexta parte del
volumen de la Tierra y casi una tercera par- 352CAPTULO 12 El
interior de la TierraFigura 12.11 Variaciones en la velocidad de
las ondas P y las ondas S con la profundidad. Los cambios bruscos
en la velocidad media delas ondas delinean las caractersticas
principales del interior de la Tierra. A una profundidad de unos
100 kilmetros, un marcado descenso dela velocidad de las ondas
corresponde a la parte superior del canal de baja velocidad. Se
producen otros dos cambios en las curvas develocidad en el manto
superior a profundidades de unos 410 y 660 kilmetros. Se piensa que
estas variaciones estn causadas por mineralesque han experimentado
cambios de fase, antes que ser consecuencia de diferencias de
composicin. El descenso brusco de la velocidad delas ondas P y la
ausencia de ondas S a 2.900 kilmetros marca el lmite ncleo-manto.
El ncleo externo lquido no transmitir las ondas S y lapropagacin de
las ondas P disminuye de velocidad dentro de esta capa. Cuando las
ondas P entran en el ncleo interno slido, su velocidadaumenta de
nuevo. (Datos de Bruce A. Bolt.) 410660 Canal de
bajavelocidadLitosferaAstenosfera(manto superior)Manto
inferior(mesosfera)NcleoexternolquidoNcleointernoslidoVelocidad
(km/seg)24681012Ondas SOndas P100020003000400050006000Profundidad
(km)140Figura 12.12 Comparacin de las estructuras cristalinas
delolivino y la espinela, un mineral que exhibe una estructura
mscompacta y, por tanto, una mayor densidad. A. OlivinoB.
EspinelaSi4+Mg2+O2 12_Captulo 12 9/6/05 16:40 Pgina 352 te de su
masa total. La presin en el centro es millones deveces mayor que la
presin del aire en la superficie, y lastemperaturas pueden superar
los 6.700 C. A medida quese obtenan datos ssmicos ms precisos, se
descubra queel ncleo consiste en una capa externa lquida de
unos2.270 kilmetros de grosor y una esfera interna slida conun
radio de 1.216 kilmetros.Densidad y composicinUna de las
caractersticas ms interesantes del ncleo essu gran densidad. Su
densidad media es de aproximada-mente 11 g/cm , y en el centro de
la Tierra se aproxima a314 veces la densidad del agua. Ni siquiera
bajo las presio-nes extremas reinantes a estas profundidades, los
silicatoscomunes en la corteza (con densidades superficiales de
2,6a 3,5 g/cm ) podran estar lo bastante compactados como3para ser
responsables de la densidad calculada para el n-cleo. Por
consiguiente, se intent determinar qu mate-rial podra explicar esta
propiedad.Sorprendentemente, los meteoritos proporcionanuna pista
importante sobre la composicin interna de laTierra. Dado que los
meteoritos son parte del Sistema So-lar, se supone que son muestras
representativas del mate-rial a partir del cual se desarroll la
Tierra en su origen.Su composicin oscila entre meteoritos de tipo
metlico,fundamentalmente compuestos por hierro y cantidadesmenores
de nquel, y meteoritos rocosos, compuestos porsustancias rocosas
que se parecen mucho a las peridotitas.Dado que la corteza y el
manto de la Tierra contienen unporcentaje mucho menor de hierro del
que se encuentraen los restos del Sistema solar, los gelogos
concluyeronque el interior de la Tierra debe estar enriquecido en
estemetal pesado. Adems, el hierro es, con diferencia, la
sus-tancia ms abundante del Sistema Solar que posee las
pro-piedades ssmicas y una densidad que recuerda la medidapara el
ncleo. Clculos actuales sugieren que el ncleo esfundamentalmente
hierro con un 5 a un 10 por ciento denquel y menores cantidades de
elementos ms ligeros, en-tre ellos, quizs, azufre y
oxgeno.OrigenAunque la existencia de un ncleo central metlico
estbien establecida, las explicaciones sobre su origen son
msespeculativas. La explicacin ms aceptada sugiere que elncleo se
form al principio de la historia de la Tierra apartir de lo que en
origen era un cuerpo relativamente ho-mogneo. Durante el perodo de
acrecin, la Tierra en-tera se calent por la energa liberada por las
colisiones departculas que caan sobre ella. Algo despus, en este
pe-rodo de crecimiento, la temperatura interna de la Tierraera lo
bastante elevada como para fundir y movilizar elmaterial acumulado.
Gotas de materiales pesados ricos enhierro se reunieron y se
hundieron hacia el centro. A lavez, las sustancias ms ligeras quiz
flotaron hacia la su-perficie para generar la corteza. En poco
tiempo, hablan-do desde un punto de vista geolgico, la Tierra adopt
unaconfiguracin en capas, no significativamente diferente dela que
encontramos en la actualidad.En su etapa de formacin, todo el ncleo
era pro-bablemente lquido. Adems, esta aleacin de hierro l-quido
estaba en un estado de mezcla vigorosa. Sin em-bargo, cuando la
Tierra empez a enfriarse, el hierro delncleo empez a cristalizar y
empez a formarse el ncleointerno. A medida que el ncleo contine
enfrindose, elncleo interno deber crecer a expensas del ncleo
ex-terno.El campo magntico terrestreNuestra representacin del
ncleo, con su esfera internaslida rodeada de una capa lquida mvil,
es apoyada porla existencia del campo magntico terrestre. Este
campose comporta como si una gran barra imantada estuviera si-tuada
dentro de la Tierra. Sin embargo, sabemos que elcampo magntico no
puede tener su origen en un mate-rial permanentemente magnetizado,
porque el interior dela Tierra est demasiado caliente para que
cualquier ma-terial conserve su magnetismo. La explicacin sobre
elcampo magntico de la Tierra aceptada de manera msgeneralizada
exige que el ncleo est compuesto por unmaterial conductor de la
electricidad, como el hierro, yque sea mvil (Recuadro 12.2). El
modelo del ncleo dela Tierra que se estableci en funcin de los
datos sismo-lgicos satisface esas condiciones. El ncleo353? A VECES
LOS ALUMNOSPREGUNTANLos otros planetas tienen campo magntico?S,
algunos lo tienen, e incluso el Sol tiene un campo mag-ntico muy
fuerte. La presencia de un campo magnticoest relacionada con la
rotacin de un cuerpo y la presenciade un interior fluido. Por
ejemplo, Mercurio no tiene cam-po magntico. Con un radio que mide
slo el 38 por cien-to del radio de la Tierra, es tan pequeo que su
interior seha enfriado probablemente hasta el punto de
solidificarse.Venus, que tiene aproximadamente el mismo tamao que
laTierra, tiene slo un ligero campo magntico a causa de superodo de
rotacin ms lento. No sorprende que Jpiter, elplaneta ms grande,
tenga un campo magntico fuerte, e in-cluso varios de los satlites
de Jpiter tienen sus propios campos magnticos. 12_Captulo 12 9/6/05
16:40 Pgina 353 354CAPTULO 12 El interior de la Tierra Recuadro
12.2Entender la TierraPor qu la Tierra tiene un campo
magntico?Cualquiera que haya utilizado una brju-la para encontrar
la direccin sabe que elcampo magntico de la Tierra tiene unpolo
norte y un polo sur. En muchos as-pectos, el campo magntico de
nuestroplaneta se parece al producido por unsimple imn. Unas lneas
invisibles defuerza atraviesan la Tierra y salen al es-pacio
mientras se extienden de un polo alotro (Figura 12.C). La aguja de
una br-jula, que es un pequeo imn con libertadde movimiento, se
alinea con estas lneasde fuerza y apunta hacia los polos
mag-nticos. Debe observarse que los polosmagnticos de la Tierra no
coincidenexactamente con los polos geogrficos. Elpolo norte
magntico se sita al norestedel Canad, cerca de la baha de
Hudson,mientras que el polo sur magntico se en-cuentra cerca de la
Antrtida, en el oca-no ndico, al sur de Australia.A principios de
los aos 60, los geo-fsicos descubrieron que el campo mag-ntico de
la Tierra cambia de polaridadperidicamente (cada un milln de aos,ms
o menos); es decir, el polo nortemagntico se convierte en el polo
surmagntico y viceversa. La causa de estoscambios est aparentemente
relaciona-da con el hecho de que el campo mag-ntico de la Tierra
experimenta fluctua-ciones en su intensidad a largo plazo.Los
clculos recientes indican que elcampo magntico se ha debilitado
apro-ximadamente un 5 por ciento durante elsiglo pasado. Si esta
tendencia continadurante otros 1.500 aos, el campo mag-ntico de la
Tierra se debilitar o dejarincluso de existir.Se ha sugerido que la
disminucin dela intensidad magntica est relacionadacon los cambios
en las corrientes convec-tivas del ncleo. De una manera
parecida,las inversiones magnticas pueden serprovocadas cuando algo
interrumpe elpatrn principal de conveccin del n-cleo fluido. Despus
de que se produzcauna inversin, el flujo se reestablece yconstruye
un campo magntico con unapolaridad opuesta.Las inversiones
magnticas no son ex-clusivas de la Tierra. El campo magnti-co solar
cambia su polaridad regularmen-te, con un perodo medio de unos
22aos. Estas inversiones solares estn es-trechamente relacionadas
con el conoci-do ciclo de la mancha solar de 11 aos
deduracin.Cuando se describi por primera vezel campo magntico
terrestre en 1600, secrea que tena su origen en
materialespermanentemente magnetizados situadosen las profundidades
del interior de laTierra. Desde entonces, hemos descu-bierto que,
con excepcin de la cortezasuperior, el planeta est demasiado
ca-liente para que los materiales magnticosretengan su magnetismo.
Adems, se sabeque los materiales permanentementemagnetizados no
cambian su intensidadde un modo que explique el crecimientoy la
disminucin del campo magntico dela Tierra.Todava no se conocen bien
los deta-lles de cmo se produce el campo mag-ntico terrestre. Sin
embargo, la mayorade investigadores est de acuerdo en queel flujo
gradual del hierro fundido en elncleo externo es una parte
importantedel proceso. El punto de vista ms am-pliamente aceptado
propone que el n-cleo se comporta como una dinamo que
seautoalimenta, un aparato que convierte laenerga mecnica en energa
magntica.Las fuerzas conductoras de este sistemason la rotacin de
la Tierra y la distribu-cin desigual del calor en el interior,
queimpulsa el hierro fundido altamente con-ductivo del ncleo
externo. Conforme elhierro se mueve en el ncleo externo,interacta
con el campo magntico de laTierra. Esta interaccin genera una
co-rriente elctrica, de la misma manera queal mover un cable cerca
de un imn secrea una corriente en el cable. Una vez es-tablecida,
la corriente elctrica produceun campo magntico que refuerza el
cam-po magntico terrestre. Mientras conti-ne el flujo en el
interior del ncleo ex-terno de hierro fundido, se
producirncorrientes elctricas y se mantendr elcampo magntico de la
Tierra. NortemagnticoNorte
geogrficoMantoNcleointernoNcleoexternoLneas magnticas de fuerza
Figura 12.C Se cree que el campo magntico de la Tierra se genera
por la conveccinvigorosa de la aleacin de hierro fundido del ncleo
externo lquido. 12_Captulo 12 9/6/05 16:40 Pgina 354 Una
consecuencia recientemente descubierta delcampo magntico de la
Tierra es que afecta a la rotacindel ncleo interno slido. Los
clculos actuales indicanque el ncleo interno gira en direccin oeste
a este a apro-ximadamente un grado al ao ms deprisa que la
superfi-cie de la Tierra. Por tanto, el ncleo hace una rotacin
ex-traordinaria aproximadamente cada 400 aos. Adems, eleje de
rotacin del ncleo interno est desalineado unos10 con respecto a los
polos rotacionales de la Tierra.La mquina trmica del interiorde la
TierraComo se coment en el Captulo 4, la temperatura au-menta
gradualmente con la profundidad a un ritmo co-nocido como gradiente
geotrmico (Figura 12.13). Elgradiente geotrmico vara
considerablemente de un lu-gar a otro. En la corteza, las
temperaturas aumentan de-prisa, a una media de 20 C a 30 C por
kilmetro. Sinembargo, la velocidad de aumento es mucho menor enel
manto y en el ncleo. A una profundidad de 100 ki-lmetros, se
calcula que la temperatura supera los1.200C, mientras que en el
lmite ncleo-manto se cal-cula que es de 3.500-4.500 C y puede
superar los6.700C en el centro de la Tierra (ms caliente que
lasuperficie del Sol!).Tres procesos importantes han contribuido al
calorinterno de la Tierra: (1) el calor emitido por la
desinte-gracin radiactiva de los istopos de uranio (U), torio(Th) y
potasio (K); (2) el calor liberado cuando el hierrocristaliz para
formar el ncleo interno slido, y (3) el ca-lor liberado por la
colisin de partculas durante la for-macin de nuestro planeta.
Aunque el primero de los dosprocesos sigue activo, su velocidad de
generacin de ca-lor es mucho menor que en el pasado geolgico. En la
ac-tualidad, nuestro planeta irradia hacia el espacio ms can-tidad
de su calor interno de la que es generada por esosmecanismos. Por
consiguiente, la Tierra se est enfrian-do, con lentitud, pero
continuamente.Flujo de calor en la cortezaEn la corteza, el flujo
de calor se produce por el familiarproceso de conduccin. Cualquiera
que haya intentadolevantar una cuchara de metal dejada en una
cazuela ca-liente se habr dado cuenta enseguida de que el calor
eraconducido a travs de la cuchara. La conduccin, que es
latransferencia de calor a travs de la materia por
actividadmolecular, ocurre a un ritmo relativamente lento en las
ro-cas de la corteza. Por tanto, la corteza tiende a actuarcomo un
aislante (fro en la parte superior y caliente en laparte inferior),
que contribuye a explicar el enorme gra-diente de temperatura
mostrado por la corteza.Ciertas regiones de la corteza terrestre
tienen ritmosde flujo de calor mucho mayores que otras. En
concreto,a lo largo de los ejes de las cordilleras mesocenicas,
don-de la corteza tiene slo unos pocos kilmetros de grosor,las
velocidades de flujo del calor son relativamente eleva-das. Por el
contrario, en los antiguos escudos (como el ca-nadiense y el
bltico) se observa un flujo de calor relati-vamente bajo. Esto quiz
se deba a que esas zonas tienenuna raz litosfrica gruesa que asla
de manera eficaz lacorteza del calor astenosfrico inferior. Otras
regiones dela corteza exhiben un elevado flujo de calor, por
intrusio-nes gneas superficiales o por concentraciones superioresa
la media de materiales radiactivos.Conveccin del mantoPara que
cualquier modelo del manto funcione debe ex-plicar la distribucin
de temperaturas calculada para estacapa. Dentro de la corteza se
produce un gran aumento dela temperatura, pero esta tendencia no
contina a travs delmanto. Antes bien, el aumento de la temperatura
con laprofundidad en el manto es mucho ms gradual. Esto sig-nifica
que el manto debe tener un mtodo ms eficaz detransmisin del calor
desde el ncleo hacia fuera. Dado que La mquina trmica del interior
de la Tierra355Figura 12.13 Gradiente geotrmico calculado para la
Tierra.Las temperaturas del manto y el ncleo se basan en
diversassuposiciones y pueden variar 500 C. (Datos de Kent C.
Condie.) Temperatura (C)Profundidad
(km)3000400060002000400060008000100020000CortezaMantosuperiorLitosferaAstenosferaMesosfera(manto
inferior)Ncleo externoNcleo interno05000Capa D''12_Captulo 12
9/6/05 16:40 Pgina 355 las rocas son conductores del calor
relativamente malos,muchos investigadores concluyen que debe
existir algunaforma de transporte de masa (conveccin) de roca
dentrodel manto. La conveccin ( concon; vecttransporta-do) es la
transferencia de calor mediante el movimiento ola circulacin en una
sustancia. Por consiguiente, las rocasdel manto deben ser capaces
de fluir.El flujo convectivo del manto (mediante el cual las ro-cas
calientes menos densas ascienden y el material ms froy ms denso se
hunde) es el proceso ms importante que ac-ta en el interior de la
Tierra. Este flujo, trmicamente im-pulsado, es la fuerza que
impulsa las placas litosfricas r-gidas a travs del planeta, y
genera en ltima instancia lascordilleras montaosas de la Tierra y
la actividad volcni-ca y ssmica de todo el mundo. Recordemos que
las plumasde rocas supercalientes parece que se generan en el
lmitencleo-manto, desde donde ascenderan lentamente haciala
superficie (Figura 12.14). Estas plumas ascendentes se-ran la rama
caliente del flujo ascendente en el mecanismoconvectivo que acta en
el manto ( vase Recuadro 12.3). Sepiensa que en los bordes de placa
convergente, donde estnsiendo subducidas lminas densas y fras de
litosfera, se pro-duce flujo descendente (Figura 12.14). Algunos
estudiospredicen que este material denso y fro acabar descen-diendo
todo el trayecto hasta el lmite ncleo-manto.Si existe este
mecanismo convectivo, cmo puede elmanto rocoso transmitir las ondas
S, que slo pueden atra-vesar slidos, y a la vez fluir como un
lquido? Esta apa-rente contradiccin podra resolverse si el manto se
com-portara como un slido bajo ciertas condiciones y como unfluido
bajo otras. Los gelogos describen generalmente elmaterial de este
tipo como de comportamiento plstico.Cuando un material que exhibe
comportamiento plsticose somete a esfuerzos breves, como los
producidos por lasondas ssmicas, se comporta como un slido elstico.
Sinembargo, en respuesta a esfuerzos aplicados durante pe-rodos muy
largos, este mismo material fluir.Este comportamiento explica por
qu las ondas Spueden penetrar en el manto, aunque esta capa rocosa
seacapaz de fluir. El comportamiento plstico no est res-tringido a
las rocas del manto. Sustancias artificiales comoalgunos dulces,
exhiben tambin este comportamiento.Cuando se golpean con un
martillo, estos materiales sal-tan como un slido quebradizo. Sin
embargo, cuando seestiran lentamente se deforman fluyendo. De esta
analo-ga no debe sacarse la idea de que el manto est com-puesto por
material blando como la masilla. Antes bien,est compuesto por roca
slida caliente, que bajo presio-nes de confinamiento extremas,
desconocidas en la su-perficie de la Tierra, es capaz de fluir.
356CAPTULO 12 El interior de la TierraFigura 12.14 Modelo propuesto
para elflujo convectivo del manto. Los brazosascendentes del flujo
convectivo seconcentran principalmente en las plumasdel manto que
ascienden desde el lmitencleo-manto. El flujo descendiente
dematerial fro se realiza mediante el descensode la litosfera
ocenica. Placa
ocenicadescendenteTrazavolcnicaPuntocalientePlumaascendenteDorsalManto
superiorMantoNcleo Recuadro 12.3Entender la TierraTomografa ssmica
del mantoDesde hace poco se dispone de nuevastecnologas, que pueden
aumentar signi-ficativamente nuestro conocimiento delflujo
convectivo en el manto. Una herra-mienta analtica, llamada
tomografa ssmi-ca, es parecida, en principio, a la explora-cin TAC
(tomografa asistida por com-putador), que se utiliza en los
diagnsticosmdicos. Mientras la exploracin TACutiliza los rayos X
para penetrar en elcuerpo humano, la informacin sobre elinterior de
la Tierra se obtiene a partir de 12_Captulo 12 9/6/05 16:40 Pgina
356 Resumen357las ondas ssmicas provocadas por los te-rremotos.
Como la exploracin TAC, latomografa ssmica utiliza los
computado-res para combinar los datos procedentesde mltiples
fuentes para construir unaimagen tridimensional del
objeto.Recordemos que las velocidades de lasondas ssmicas estn
fuertemente influi-das por las propiedades de los
materialestransmisores. En los estudios tomogrfi-cos, la informacin
procedente de mu-chas ondas entrecruzadas se combina
paracartografiar regiones de velocidad ssmi-ca lenta y rpida. En
general, las re-giones de velocidad ssmica lenta se aso-cian con
rocas calientes que afloran,mientras que las regiones de
velocidadssmica rpida representan zonas en lasque las rocas fras
descienden.Los estudios de la tomografa ssmicarevelan que el flujo
en el manto es mu-cho ms complejo que las simples clulasde
conveccin, en las que el material ca-liente asciende de una manera
gradual yel material fro se hunde. Parece que elascenso est
limitado a unas pocas plu-mas cilndricas grandes. Adems,
estosestudios demuestran que las zonas dedescenso se encuentran
debajo de los l-mites convergentes en los que las placasse
subducen. Este flujo descendente pa-rece extenderse hasta el manto
inferior,pero hay otras posibles interpretacionesde los datos.Otra
tcnica innovadora, llamada mo-delado numrico, se ha utilizado para
esti-mular la conveccin trmica en el man-to. Simplemente, este
mtodo utilizacomputadores de alta velocidad para re-solver
ecuaciones matemticas que des-criben la dinmica de fluidos
parecidos almanto. A causa de algunas incertidum-bres, como el
desconocimiento de la vis-cosidad exacta del manto, se simulan
di-ferentes condiciones. Los resultados deestos estudios se pueden
representar gr-ficamente, como se muestra en la Figura12.D. Un
estudio concluye que el des-censo se produce en estructuras en
formade lmina, respaldando las pruebas ss-micas de que las capas
litosfricas des-cendentes son una parte integral de lacirculacin
del manto. Adems, se descu-bri que las grandes plumas del mantoson
el principal mecanismo de ascensodel manto. Figura 12.D Seccin
transversal de la conveccin trmica simulada numricamentedel manto.
Las zonas rojas y amarillas indican las corrientes calientes que
ascienden,mientras que las zonas azules representan las regiones de
las corrientes descendientes fras.(Cortesa de D. Bercovici, G.
Schubert y G. A. Glatzmaier.) Resumen Gran parte de nuestro
conocimiento sobre el interiorde la Tierra procede del estudio de
las ondas ssmicasque penetran en su interior y emergen en
algunospuntos distantes. En general, las ondas ssmicas viajanms
deprisa en los materiales elsticos slidos y msdespacio en las capas
ms dbiles. Adems, la energassmica se refleja y se refracta en los
lmites que sepa-ran materiales diferentes desde el punto de vista
com-posicional y mecnico. Mediante la medicin cuida-dosa de las
velocidades de desplazamiento de las on-das ssmicas, los sismlogos
han podido determinar lasprincipales divisiones del interior de la
Tierra. Las principales capas que componen la Tierra son: (1)la
corteza, la capa externa comparativamente fina de laTierra, cuyo
grosor oscila entre 3 kilmetros, en lascordilleras ocenicas, y 70
kilmetros en algunos cin-turones montaosos, como los Andes y el
Himalaya; 12_Captulo 12 9/6/05 16:40 Pgina 357 358CAPTULO 12 El
interior de la Tierra(2) el manto, una capa rocosa slida que se
extiendehasta una profundidad de unos 2.900 kilmetros, y (3)el
ncleo, una esfera rica en hierro que tiene un radiode 3.486
kilmetros. La capa mecnica externa de la Tierra, que abarca elmanto
externo y la corteza, forma un caparazn re-lativamente rgido y fro
conocido como litosfera (es-fera de roca). Con una media de 100
kilmetros degrosor, la litosfera puede medir 250 kilmetros o
msdebajo de las porciones ms antiguas (escudos) de loscontinentes.
Dentro de las cuencas ocenicas, la li-tosfera oscila entre unos
pocos kilmetros de grosor,a lo largo de las dorsales ocenicas,
hasta quiz 100 ki-lmetros en las regiones de la corteza ms antiguas
yfras.Debajo de la litosfera (a una profundidad de unos
660kilmetros) subyace una capa blanda relativamentedbil localizada
en el manto superior y conocida comoastenosfera (esfera dbil). Los
150 kilmetros, ms omenos, superiores de la astenosfera tienen un
rgimende temperatura/presin en el cual se produce una cier-ta
cantidad de fusin (quiz de un 1 a un 5 por cien-to). Dentro de esta
zona, muy dbil, la litosfera estefectivamente despegada de la
astenosfera, situada de-bajo. La corteza, la capa rgida ms externa
de la Tierra, sedivide en corteza ocenica y continental. La
cortezaocenica oscila entre 3 y 15 kilmetros de grosor y
estcompuesta por rocas gneas baslticas. Por el contra-rio, la
corteza continental consiste en una gran varie-dad de tipos de roca
que tienen una composicin me-dia equivalente a una granodiorita.
Las rocas de lacorteza ocenica son ms jvenes (180 millones deaos o
menos) y ms densas (alrededor de 3,0 g/cm )3que las rocas
continentales. Las rocas continentalestienen una densidad media de
alrededor de 2,7 g/cm3y se han descubierto algunas que superan los
4.000 mi-llones de aos de antigedad. Alrededor del 82 por ciento
del volumen de la Tierraest contenido en el manto, un nivel rocoso
de unos2.900 kilmetros de grosor. El lmite entre la cortezay el
manto representa un cambio de composicin.Aunque el manto se
comporta como un slido cuan-do transmite las ondas ssmicas, las
rocas del mantoson capaces de fluir a una velocidad
infinitesimal-mente lenta. Algunas de las rocas del manto
inferior(capa D) se piensa que estn parcialmente fundidas. El ncleo
est compuesto fundamentalmente por hie-rro, con menores cantidades
de nquel y otros ele-mentos. A la presin extrema encontrada en el
ncleo,este material rico en hierro tiene una densidad mediade unos
11 g/cm y en el centro de la Tierra se apro-3xima a 14 veces la
densidad del agua. El ncleo inter-no y el externo son similares
desde el punto de vistade su composicin; sin embargo, el ncleo
externo eslquido y capaz de fluir. Es la circulacin dentro delncleo
de nuestro planeta en rotacin, lo que generael campo magntico de la
Tierra. La temperatura aumenta de manera gradual con laprofundidad
en el interior de nuestro planeta. Tresprocesos contribuyen al
calor interno de la Tierra: (1)el calor emitido por la
radiactividad; (2) el calor libe-rado cuando el hierro se
solidifica en el ncleo, y (3)el calor liberado por las partculas
que colisionarondurante la poca de formacin de nuestro planeta. Se
cree que el flujo convectivo en el manto consiste enplumas
ascendentes de rocas calientes y un flujo des-cendente de las
lminas fras y densas de la litosfera.Este flujo convectivo
trmicamente generado es lafuerza impulsora que impulsa las placas
litosfricas atravs del globo terrqueo. Preguntas de repaso1.Enumere
6 caractersticas principales de las ondasssmicas2.Cules son las
tres capas que componen la Tierra?3.Enumere las cinco capas
principales del interior dela Tierra definidas por las diferencias
en las propie-dades fsicas. En qu se distingue el ncleo inter-no
del ncleo externo?4.Describa la litosfera. De qu manera importante
sediferencia de la astenosfera?5.En qu difiere el lmite entre la
corteza y el man-to (Moho) del lmite que se encuentra entre la
li-tosfera y la astenosfera?6.Describa brevemente cmo se descubri
el Moho.7.Qu pruebas utiliz Beno Gutenberg para de-mostrar la
existencia de un ncleo central en laTierra?8.Supongamos que la zona
de sombra para las ondasP estuviera localizada entre 120 y 160, en
vez de 12_Captulo 12 9/6/05 16:40 Pgina 358 Recursos de la
web359entre 105 y 140. Qu indicara esto sobre el ta-mao del
ncleo?9.Describa el primer mtodo utilizado para medir conprecisin
el tamao del ncleo interno.10.Cul de las tres capas de composicin
de la Tierraes la ms voluminosa?11.Qu se cree que provoca el
aumento de la veloci-dad ssmica que se produce a las profundidades
de410 y 660 kilmetros?12.Dnde est localizada la capa Dy qu papel
sepiensa que desempea en el transporte de calor den-tro de la
Tierra?13.Qu pruebas proporciona la sismologa para indi-car que el
ncleo externo es lquido?14.Por qu se considera a los meteoritos
como clavessobre la composicin del interior de la
Tierra?15.Describa la composicin qumica (mineral) de lascuatro
capas principales de la Tierra: corteza (tan-to continental como
ocenica), manto y ncleo.16.Enumere tres procesos que hayan
contribuido alcalor interno de la Tierra.17.Describa el proceso de
conduccin.18.Explique brevemente cmo se transporta el calor atravs
del manto. Trminos fundamentalesastenosferacapa
Dconduccinconveccincortezadiscontinuidaddiscontinuidad
deMohorovicic o Mohogradiente geotrmicolitosferamantomanto
inferiormesosferancleoncleo externoncleo internozona de sombra de
lasondas P Recursos de la webLa pgina Web Earth utiliza los
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