La diferenciación química de la Tierra

La Tierra es un planeta altamente diferenciado, y su actividad geológica continúa produciendo diversificadas series de rocas ígneas y sedimentarias. Aunque otros planetas terrestres también se han mantenido activos en ciertas formas limitadas y específicas, la Tierra todavía tiene «fuerza en su interior» y se mantiene en un entorno de agua corrosiva y una atmósfera activa.

4.1 Estructura interna de la Tierra

La Tierra estaba inicialmente fundida y se diferenció muy temprano en su historia en varias capas o depósitos con diferentes composiciones químicas. La estructura interna resultante de la Tierra ha sido determinada por los sismólogos sobre la base de la reflexión y la refracción de las ondas sísmicas de compresión (P) y corte (S). Sobre la base de estos resultados, el interior de la Tierra se ha dividido en el núcleo, manto y corteza, como se muestra en la Figura 4.1. Las densidades de estas unidades mayores del interior de la Tierra varían desde 2.7 kg/cm³ de las rocas en la corteza hasta más de 12 g/cm³ para el núcleo. El aumento de la densidad y de las velocidades de las ondas sísmicas con la profundidad se debe a los cambios tanto en la composición química como por la recristalización de minerales en estructuras más compactas. La figura 4.1 muestra que las velocidades sísmicas y densidades presentan dos discontinuidades importantes que marcan los límites entre la corteza y el manto y entre el manto y el núcleo. El límite corteza-manto, que se encuentra a una profundidad de cerca de 40 km bajo los continentes, se conoce como la discontinuidad de Mohorovičić o «Moho», mientras que el límite manto-núcleo, a una profundidad de 2900 km, se conoce como la discontinuidad de Wiechert-Gutenberg, y ambos se llaman así en honor a eminentes sismólogos. Hay otras regiones de transición más sutiles dentro de la Tierra causadas por otros cambios importantes en sus propiedades físicas. La Tabla 4.1 contiene un resumen de las propiedades físicas de la Tierra.

El manto de la Tierra se ha subdividido en tres partes sobre la base de la presencia de cambios de fase a profundidades de 410 y 660 km. El manto superior, entre el Moho y el límite aproximadamente a los 400 km, es probablemente heterogéneo debido a la formación de magma por fusión parcial. Xenolitos de rocas ultramáficas derivados de esta región indican que el manto superior se compone de olivino, piroxeno y granate con cantidades menores de espinela, anfíboles y flogopita. La zona de transición, ubicada entre las profundidades de cerca de 400 y 660 km, es una región de transformaciones de fase inducidas por la presión de los ortosilicatos de Fe y Mg de la estructura de olivino a la de espinela. El manto inferior, a una profundidad de alrededor de 660 km, es probablemente homogéneo y puede ser más rico en Fe que el manto superior (Henderson, 1982).

La composición química del manto es difícil de determinar con certeza porque es inaccesible y heterogéneo. Sin embargo, xenolitos ultramáficos, así como meteoritos pétreos, han proporcionado pistas útiles. Además, las grandes masas de peridotita de tipo alpino pueden tener su origen en el manto superior en los límites de placas convergentes.

Figura 4.1: Variación de las velocidades sísmicas con la profundidad en la Tierra. La velocidad de las ondas P aumenta bruscamente en la base de la corteza (discontinuidad de Mohorovičić o Moho) de aproximadamente 6 km/seg a casi 8 km/seg. Aumenta con la profundidad en el manto, pero cae bruscamente de nuevo en el límite manto-núcleo. Una tercera discontinuidad en las velocidades de ondas P dentro del núcleo marca la transición del núcleo externo líquido al núcleo interno sólido. La velocidad de las ondas S aumenta también en el Moho y continúa aumentando con la profundidad en el manto. Sin embargo, las ondas S no penetran en el límite manto-núcleo, lo que indica que el núcleo externo es líquido.

B: La densidad de las rocas se eleva abruptamente en el Moho y continúa aumentando con la profundidad en el manto. En el límite del manto y el núcleo, la densidad se eleva abruptamente de aproximadamente 6 g/cm³ a cerca de 10 g/cm³ y luego continúa aumentando a valores en exceso de 12 g/cm³ en el límite entre el núcleo externo e interno. La variación de estas propiedades físicas lleva a la conclusión de que el manto es sólido y se compone principalmente de silicatos y óxidos de Mg y Fe. El núcleo consiste en una aleación de Fe, Ni y otros elementos siderófilos, y es líquido a excepción de la parte interna que es sólida (según Bullen, 1963).

Las estimaciones de la composición química de la capa deben cumplir con ciertos requisitos geofísicos sobre la densidad, las velocidades sísmicas y el calor producido por la desintegración de U, Th y K. Además, el manto debe ser capaz de formar los principales tipos de magmas de basalto por fusión parcial en las condiciones físicas probables que prevalecen en esta región de la Tierra.

Estos requisitos están satisfechos en general por una roca llamada pirolita, propuesta por Ringwood (1966), mediante la combinación de peridotita y basalto en la proporción de 3 a 1. La composición química resultante del manto es similar a una propuesta por Mason (1966), que se basó en meteoritos, y también se asemeja a la estimación realizada por Hutchison (1974), que se deriva de las inclusiones ultramáficas de lherzolita en las rocas ígneas. Las estimaciones de la composición química del manto se compilan en la Tabla 4.2.

El gran interés por la comunidad científica en la composición química del manto es uno de los episodios más pintorescos en la historia de la ciencia. En el transcurso de una reunión de algunos miembros de la American Miscellaneous Society (AMSOC) en Washington, D.C., presidida por el profesor Harry Hess de la Universidad de Princeton, alguien sugirió casualmente perforar un agujero a través de la corteza oceánica para averiguar qué causa el Moho. La idea encendió el apoyo entusiasta del grupo, y se presentó una propuesta con prontitud a la Fundación Nacional de Ciencias para determinar la viabilidad de esta idea. Así comenzó el llamado Proyecto Mohole, que recibió mucha atención en la prensa popular, pero nunca logró su objetivo. Sin embargo, estudios de ingeniería se realizaron con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencia, un barco de perforación fue equipado, y algunos pozos de prueba fueron perforados. Estas pruebas demostraron que era posible perforar en aguas profundas desde un barco situado sobre el sitio seleccionado. AMSOC finalmente se disolvió, pero el equipo fue adquirido por el Programa de Perforación de Pozos en las Profundidades Marinas, que ha estado explorando la historia de las cuencas oceánicas por medio de perforaciones del Glomar Challenger y después del Joides Explorer. El AMSOC abandonó la búsqueda de perforación porque se hizo evidente que este límite importante está realmente expuesto en algunas zanjas de aguas profundas y que rocas del Moho del manto superior pudieron, y de hecho habían sido, recuperadas por dragado.

4.2 La corteza continental: Elementos principales

La corteza de la Tierra es importante porque contiene todos los recursos naturales que nos sustentan. Incluye la atmósfera, hidrosfera y biosfera, así como parte de la litosfera. El término litosfera se define como la capa externa rígida de la Tierra, que consiste en la corteza y el manto superior, en contraste con la astenosfera subyacente, que se deforma plásticamente en respuesta a la tensión tectónica. El estudio de la composición química de la corteza, y de los diferentes tipos de rocas que la componen, ha sido uno de los principales objetivos de la geoquímica (Wedepohl, 1969; Taylor y McLennan, 1985).

La corteza es la capa externa de la Tierra, que se encuentra por encima del manto, y no sólo constituye los continentes, sino que también ocurre en los océanos. La corteza oceánica tiene sólo 5 km de espesor y difiere de la corteza continental en composición química y origen. La corteza continental está compuesta principalmente de rocas ígneas y metamórficas. Las rocas metamórficas se concentran en los cinturones orogénicos, pero la distinción entre las rocas ígneas y metamórficas no siempre es evidente porque la mayoría de las rocas ígneas de la corteza continental se han transformado. Las rocas sedimentarias y volcánicas se forman en la superficie de la Tierra y, por lo tanto, tienden a cubrir las rocas ígneas y metamórficas subyacentes. Las rocas sedimentarias y volcánicas también pueden llegar a ser dobladas en masas alargadas por la compresión de las cuencas tectónicas en las que se depositaron inicialmente. Clarke y Washington (1924) estimaron que la corteza continental se compone de 95% de rocas ígneas y metamórficas y 5% de rocas sedimentarias. Estas últimas incluyen un 4% de pizarra, 0.75% de arenisca y 0.25% de caliza. Evidentemente, las rocas sedimentarias representan sólo una porción menor de la corteza continental, pero su presencia en la superficie de los continentes realza su importancia.

La composición química de la corteza continental se ha estimado por: (1) un promedio de un gran número de análisis químicos, (2) combinando análisis químicos de diferentes tipos de roca ponderados en función de su abundancia, (3) el análisis de los sedimentos derivados del continente, (4) la combinación de las composiciones de rocas ácidas y máficas en distintas proporciones, y (5) por modelado. Los resultados de estos diferentes métodos son sorprendentemente similares, como se indica en la Tabla 4.3.

Clarke y Washington (1924) estimaron la composición química de la corteza, no sólo por un promedio de un gran número de análisis químicos de las rocas ígneas de todos los continentes y de las cuencas oceánicas, sino también mediante la combinación de la composición química media de las rocas ígneas con las de la pizarra, arenisca y caliza, de acuerdo con sus abundancias observadas. Los resultados en las columnas 1 y 2 del Cuadro 4.3 son muy similares. Una enorme cantidad de trabajo requirió recolectar y analizar las más de 5000 muestras de roca sobre las que se basa la estimación en la columna 1. Por lo tanto, V.M. Goldschmidt decidió a principios de 1930 analizar la fracción de arcilla de tamaño natural de hasta en el sur de Noruega, porque, argumentó, los sedimentos glaciales del Pleistoceno fueron producidos por la erosión mecánica del lecho de roca de Escandinavia, con poco desgaste químico. Además, el transporte en la base de la capa de hielo y la posterior deposición por fusión de las aguas causó que la arcilla glacial se mezclara perfectamente, por lo que es una muestra representativa de las rocas en el camino de la capa de hielo. La composición química promedio de 77 muestras de arcilla glacial del sur de Noruega (columna 3, Tabla 4.3) es, de hecho, muy similar a las estimaciones de Clarke y Washington. Observamos, sin embargo, que las concentraciones de CaO y Na₂O de la arcilla glacial son algo menores que sus valores en las columnas 1 y 2, probablemente porque estos elementos se perdieron parcialmente de la arcilla por lixiviación. Además, las arcillas glaciales tienen un menor contenido de dióxido de titanio que el promedio de la corteza de Clarke y Washington, lo que puede ser una característica regional de las rocas de los países escandinavos.