I. LAS FUENTES DEL CALOR TERRESTRE

LA TIERRA COMO FUENTE DE CALOR

LA EXISTENCIA de temperaturas altas en el interior de la Tierra ha sido supuesta desde tiempos antiguos con base en observaciones en la superficie. Los volcanes, manantiales termales y otras manifestaciones superficiales del calor encerrado dentro de la Tierra han sido las evidencias de que la temperatura en su interior debe ser mucho más alta que la que se tiene en la superficie. Por otra parte, desde antes que se contara con la tecnología de perforación de pozos, ya el hombre se había dado cuenta que al internarse en grutas o minas que descendían a profundidades considerables, la temperatura aumentaba. En este siglo se comenzaron a hacer mediciones en pozos de la variación de la temperatura con la profundidad y se observó que en zonas "normales", o sea donde no existen manifestaciones termales superficiales, la temperatura en la corteza de la Tierra aumenta a una razón de 30°C por kilómetro. Esto nos indica que en alguna parte en el interior de la Tierra existe una fuente de calor que lo irradia hacia la superficie. Ahora nos queda otra interrogante: ¿de dónde viene este calor? Y esta pregunta nos lleva a los tiempos de la formación de la Tierra.

Una de las hipótesis más aceptada (ya que difícilmente puede ser comprobada) acerca de la formación del sistema solar, es la que afirma que éste evolucionó a partir de una acumulación de polvo cósmico (nebulosa), que al compactarse en presencia del campo gravitacional del Sol formó los diferentes cuerpos que componen el sistema solar. Según esta hipótesis, las características de los planetas quedaron determinadas por su masa inicial y su distancia al Sol. Al irse compactando, la masa de estos "protoplanetas" aumentaba cuando otras partículas chocaban contra ellos y se les anexaban, lo cual hacía que aumentara también su temperatura. Ésta fue una de las fuentes iniciales del calor de la Tierra, pero al ir evolucionando ésta, otras fuentes hicieron su aparición.

Una vez que el planeta como tal estuvo formado, esto es, cuando atrapó las partículas que se encontraban en la misma órbita, sucedió un cataclismo conocido como diferenciación gravitacional y que fue simplemente el hundimiento de los elementos más pesados y el transporte a la superficie de los más ligeros, ya que al formarse el planeta todos los elementos se hallaban distribuidos al azar, en la forma en que se fueron agregando. Esta redistribución de los elementos se llevó a cabo con una gran liberación de energía por fricción, lo que provocó un aumento en la temperatura y la fusión de la mayor parte del material que formaba la Tierra. A partir de este proceso, la estructura de la Tierra sufrió una estratificación, formando una serie de capas concéntricas (Figura 1), las cuales han sido determinadas por medio de datos sismológicos que también han sido útiles para determinar sus características fisicoquímicas.

 

Figura 1. Estructura interna de la Tierra con las capas determinadas por medio de datos sismológicos.

Las principales capas que conforman la Tierra son tres: corteza, manto y núcleo, sus espesores son variables pero en promedio tienen valores de 30, 2 900 y 3 500 kilómetros respectivamente. A su vez, las dos últimas se subdividen en: manto superior e inferior y núcleo externo e interno. Debido al mecanismo por el cual se formaron, las capas externas son más ricas en minerales compuestos por sílice y aluminio, y a medida que aumenta la profundidad aumenta también el contenido de fierro y magnesio, que son elementos más pesados, hasta llegar al núcleo que se supone está formado principalmente por fierro y níquel. Como ejemplo de rocas formadas por minerales con alto contenido de sílice y aluminio tenemos las arcillas y el granito, siendo este último el tipo de roca predominante en la corteza de tipo continental. Entre las rocas formadas en proporciones significativas por minerales ferromagnesianos tenemos el basalto, la olivina y la peridotita; el basalto es la roca que forma la corteza de tipo oceánico y tanto a la olivina como a la peridotita se les encuentra formando la base de la corteza y el manto superior.

Poco a poco la corteza terrestre se fue enfriando hasta solidificarse; sin embargo las capas interiores no se enfriaron tan rápidamente, en gran parte debido a que la corteza es muy mala conductora del calor y actúa como un aislante para las capas interiores, que de esta forma pueden mantener temperaturas altas. Además de evitar que el calor del interior de la Tierra escape, la corteza es en parte generadora de calor adicional debido a la presencia de una gran cantidad de elementos radiactivos en ella. Podría parecer paradójico que los elementos radiactivos hayan permanecido en las capas más superficiales de la Tierra a pesar de ser elementos pesados, sin embargo es posible encontrar una explicación a esto al observar que los elementos radiactivos generalmente se combinan con otros elementos para formar compuestos ligeros, siendo ésta la forma como fueron transportados a las capas superiores. En la actualidad se les encuentra principalmente en la corteza terrestre y en menor concentración en el manto superior.

Los principales elementos productores de energía por decaimiento radioactivo son el uranio, el tono y el potasio. A estos elementos se les encuentra en concentraciones significativas en rocas graníticas, las cuales forman la parte superior de la corteza continental que en algunos lugares montañosos llega a tener más de 50 kilómetros de espesor y puede llegar a producir casi 10 microcal/g/año (una caloría es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 a l5.5°C). Por su parte, la corteza oceánica y la parte inferior de la corteza continental, que son de tipo basáltico, generan solamente cerca de 1 microcal/g/año, la décima parte de lo que produce el granito. El manto superior, formado en su mayor parte por peridotita, también va a producir una pequeña cantidad de calor de aproximadamente 0.01 microcal/g/año. De acuerdo con estas cifras la producción de calor de la corteza y el manto sería de un poco más de 1.5 x 10¹³ cal/seg, lo que hace un total de 4.7 x 10²⁰ cal/año. Para tener una idea de lo que esto significa, es necesario hacer una equivalencia: 4.7 x 10²⁰calorías es el equivalente a la energía liberada por la explosión de casi medio millón de bombas nucleares de 1 megatón (la bomba atómica que destruyó Hiroshima fue de 20 kilotones).

Las fuentes que generan el calor proveniente del interior son las que hemos mencionado. Sin embargo existen otras, como las mareas terrestres, el choque de meteoritos y la atracción gravitacional del Sol y la Luna generan el 10% del total del calor de la Tierra. Además de causar las mareas oceánicas, los esfuerzos generados por la atracción gravitacional deforman la parte sólida de la Tierra y aunque estas deformaciones son del orden de una parte en un millón, ocasionan un desplazamiento de cerca de 30 cm en la superficie terrestre. Por otra parte, la energía solar que recibe la Tierra es de casi 10²⁴ cal/año.

MECANISMOS DE TRANSPORTE DE CALOR

EL transporte de calor en el interior de la Tierra se lleva a cabo por medio de tres mecanismos: conducción, convección y radiación; sin embargo, los tres tienen diferente grado de importancia en las diferentes capas: en la corteza el principal medio de transporte de calor es la conducción mientras que en el manto lo es la convección y radiación. Pero antes de describir lo que sucede en la Tierra es necesario explicar cómo funciona cada uno de ese tipo de mecanismos, para después establecer cómo es que influyen en la disipación de la energía contenida en el interior de la Tierra y por lo tanto determinar su contribución al enfriamiento de ésta.

La conducción es la forma como se transporta el calor de un cuerpo más caliente a uno más frío con el cual se encuentra en contacto. La eficiencia de ésta depende de una propiedad de los materiales que se llama conductividad térmica y que nos dice cuál será la diferencia de temperatura provocada por un flujo de calor: a mayor conductividad menor será la diferencia de temperatura a través del material. Un ejemplo de buen conductor lo es una barra de metal, la cual al ser calentada en uno de sus extremos inmediatamente conducirá el calor hasta el otro extremo. Por otro lado, un ejemplo de mal conductor lo sería la madera, la cerámica y el aire.

La convección es un proceso un poco más complejo que se da solamente en fluidos (líquidos y gases). Al ser calentada la parte inferior de un fluido, ésta se expanderá y se volverá menos densa que la parte superior más fría, por lo cual tenderá a subir, con lo que la parte fría quedará ahora en contacto con la fuente de calor repitiéndose de esta forma el proceso y dando origen a lo que se llama celdas de convección, en las cuales existen corrientes ascendentes y descendentes. Este mecanismo se va a generar a partir de un cierto valor de la diferencia de temperatura y depende de la viscosidad y densidad del fluido.

La radiación es una forma de transporte de calor que es importante a temperaturas altas; en realidad todos los cuerpos que tienen temperatura por arriba del cero absoluto (cero grados Kelvin o -273.15°C) emiten radiación, pero la frecuencia de la radiación emitida es proporcional a la temperatura del material: los seres humanos emitimos radiación en el infrarrojo y un trozo de hierro calentado a temperaturas muy altas empezará a emitir en el espectro visible.

De esta forma observamos que el transporte de calor en el interior de la Tierra va a depender de la temperatura y de las características del material. La corteza se comporta como un sólido y tiene temperaturas relativamente bajas. El manto se comporta como un fluido y como la convección es mucho más eficiente en este caso, ése es el principal medio de transporte, aun cuando las temperaturas relativamente altas hacen posible que la energía también se transporte por medio de la radiación.

Sin embargo, el transporte de calor desde el interior hacia la superficie no es el único mecanismo de disipación de energía. La continua creación y destrucción de montañas consume 2.4 x 10¹⁶ cal/año, los sismos liberan 2.4 x 10¹⁸ cal/año (26 x 10¹⁰ kilowatts-hora/año), los 800 volcanes activos que existen en la Tierra producen cerca de 1 km³ de lava por año, o sea 1.2 x 10¹⁶ cal/año y para efectos de comparación con los mecanismos de disipación de calor, diremos que cada año la Tierra pierde 2 x 10²⁰ cal por conducción a través de su superficie.

No obstante que la principal forma de transporte de calor en la corteza es la conducción, esto no excluye que existan algunas áreas en las cuales el calor se transmite principalmente por convección, aprovechando zonas de debilidad en la roca sólida que forma la corteza (fallas, fracturas, etc.). A través de esas zonas van a ascender fluidos calientes que provienen de diferentes profundidades y pueden tener características distintas: pueden ser rocas fundidas generadas en la base de la corteza, o bien pueden estar constituidos principalmente por agua originada en la superficie de la Tierra y que ha penetrado hasta profundidades donde se ha calentado por contacto con rocas a alta temperatura, de tal forma que vuelve a ascender a la superficie transportando parte de la energía del interior.

Estas formas de transporte de calor en la corteza han sido observadas directamente; en cambio, las formas en que se transporta el calor debajo de la corteza han tenido que ser inferidas a partir de evidencias superficiales. La existencia de la convección en el manto ha sido apoyada en particular por la comprobación de la migración de los continentes. Estos hechos han sido las bases para la elaboración de la teoría de la tectónica de placas, la cual explica la mayor parte de los fenómenos geológicos observados. A pesar de los factores que sirven como comprobación indirecta de la existencia de convección en el manto, aún existen interrogantes respecto a este fenómeno: ¿cuál es su extensión? ¿Alcanza la totalidad del manto o sólo una parte de éste? ¿Es éste un fenómeno continuo o se lleva a cabo sólo durante ciertos periodos de tiempo?, etc. Estas son preguntas que quedan para ser contestadas por las futuras generaciones de científicos dedicados a las ciencias de la Tierra.

LA TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA

Al penetrar en la corteza de la Tierra se observa un cambio en la temperatura, en general ésta aumenta; a esa variación de la temperatura con la profundidad se le llama gradiente geotérmico. El valor del gradiente geotérmico en la corteza terrestre varía mucho de un lugar a otro: se han llegado a medir gradientes de sólo 10°C por kilómetro, mientras que en algunas zonas se han observado variaciones de la temperatura de 200 y hasta 800°C/km. Sin embargo, la mayoría de las zonas del planeta en las que no se tienen anomalías térmicas se agrupan alrededor de un promedio de 25 a 35°C/km, a este valor se le considera el gradiente geotérmico normal. Esto es en cuanto a la corteza, pero para determinar o estimar la variación de la temperatura dentro del manto se requiere de algunas hipótesis.

El flujo de calor en la superficie de la Tierra se calcula como el producto del gradiente geotérmico por la conductividad térmica de las rocas (Figura 2), siendo estos dos parámetros determinados directamente. El gradiente geotérmico se determina midiendo la temperatura a lo largo de pozos suficientemente profundos para evitar las perturbaciones en las capas superficiales (hasta 200 m) provocadas por las variaciones diurnas y estacionales de temperatura, así como por el flujo de aguas subterráneas. Estos factores no afectan las mediciones hechas en el océano, ya que la temperatura del fondo marino es prácticamente constante, por lo cual sólo se necesita una sonda de dos a cinco metros de longitud, con sensores de temperatura distribuidos a lo largo de ella, la cual penetra los sedimentos del fondo oceánico (Figura 3). La determinación de la conductividad térmica se lleva a cabo en el laboratorio, en muestras de las rocas en las que se midió el gradiente geotérmico. Estas muestras se someten a un flujo de calor conocido, el cual va a generar una diferencia de temperatura a lo largo de la muestra, de tal forma que entre mayor sea esta diferencia de temperatura, menor será la conductividad térmica de la muestra.

En la figura 2 se ve que si conocemos el flujo de calor en la superficie, basta con restarle el calor producido en la corteza para conocer el flujo de calor que proviene del manto y de esta forma extrapolar el valor de la temperatura en la base de la corteza; sin embargo, a partir de esa profundidad, hay otros mecanismos de transferencia de calor aparte de la conducción y no es posible actualmente cuantificar las contribuciones particulares de cada uno de ellos. Debido a esto, las principales evidencias de la temperatura en el interior de la Tierra provienen de las diferencias en las velocidades de propagación de las ondas sísmicas en las diferentes capas que forman el planeta. Con estos datos se pueden establecer una serie de discontinuidades que determinan la frontera entre las capas y nos pueden ayudar a establecer las temperaturas más probables a esas profundidades:

 

Tipo de roca	Profundidad (Km)	Producción de calor en la capa (10-13 cal/seg.cm3)	Flujo de calor de la base de la capa (mcal/cm2.seg)	Temperatura en la base de la capa (°C)
Granito (Corteza superior)	0 - 16	4.8	2	600
Gabro (Corteza inferior)	16 - 40	1.9	1	1100
Olivina - Gabro (corteza inferior)	40-60	1.0	0.8	1300
Peridotita (manto superior)	60 - 100	0.2	0.6	1600

Figura 2. Flujo de calor debido al transporte por conducción en las capas que forman la corteza y parte del manto superior en una región continental montañosa.

 

 

Figura 3. Técnicas de medición de flujo de calor en el océano.

 

—Hasta una profundidad de 100 km el comportamiento del material se asemeja al de un sólido. Esta capa es denominada litósfera y comprende la corteza y parte del manto superior.

—A partir de 100 km y hasta aproximadamente 300 km, un decremento en las velocidades sísmicas indica la presencia de zonas de fusión parcial, lo cual requiere que las temperaturas sean de 1 000 a 1 200°C.

 

Figura 4. Variación de la temperatura en el interior de la Tierra (línea punteada), con base en datos sismológicos y propiedades de minerales a diferentes presiones y temperaturas.

—A los 400 y 700 km de profundidad se observan dos incrementos en las velocidades sísmicas, que de acuerdo con experimentos de laboratorio, corresponden a cambios de fase que tienen lugar a 1 500 y 1 900°C respectivamente.

—A los 2 900 km se ha observado que no se propagan las ondas sísmicas transversales, mismas que no se transmiten en líquidos, de donde se infiere la fusión de lo que se denomina núcleo exterior y la existencia a esta profundidad de temperaturas del orden de 3 700°C. La reaparición de este tipo de ondas a los 5 100 km indican a esa profundidad temperaturas por debajo del punto de fusión (4 300°C) del material que forma el núcleo interior y del cual se supone que está constituido principalmente por fierro.

Aun cuando todavía faltan por esclarecer muchos detalles, con base en esos datos y suponiendo que hay una variación continua de la temperatura con la profundidad, es posible establecer una curva hipotética de la temperaura en el interior de la Tierra, la cual tendría aproximadamente las características de la que se muestra en la figura 4, de donde la temperatura en el núcleo interior de la Tierra sería de alrededor de 4 000°C.

ELEMENTOS BÁSICOS DE TECTÓNICA DE PLACAS

Las características que presenta el transporte de calor en el interior de la Tierra determina los fenómenos geológicos que observamos en la superficie, o por lo menos esa es la hipótesis de la teoría de tectónica de placas. Ésta afirma que el motor generador de todos los acontecimientos geológicos es la convección del material del manto, que se comporta como un fluido de alta viscosidad. Dicha viscosidad se puede definir como la resistencia de un fluido a fluir y su unidad es el poise. En el caso del material del manto, su viscosidad es muy grande (del orden de 10²⁰ poises; como comparación, la viscosidad del agua es de 0.01 poises y la del mercurio es 0.02 poises), esto hace que para esfuerzos aplicados en tiempos cortos (ondas sísmicas y esfuerzos por la atracción de la Luna) la Tierra se comporte como un sólido elástico; sin embargo, para esfuerzos con periodos de millones de años, como los provocados por la convección en el manto, éste se va a comportar como un fluido.

La corteza terrestre y una parte del manto superior componen la "costra" fría, que se forma en la superficie de las corrientes de convección al entrar en contacto con la atmósfera. Ésta generalmente se encuentra a un promedio de 0°C (con una variación de aproximadamente 30°C) lo cual implica una diferencia mayor de 600°C con las temperaturas más bajas del manto. Este decremento en la temperatura del material que surge del manto hace que se solidifique en las partes más superficiales y esta solidificación alcanza una profundidad de alrededor de 100 kilómetros. A esta capa con características correspondientes a un sólido se le llama litósfera y se localiza sobre una capa de menor viscosidad que presenta fusión parcial, denominada astenósfera, que se comporta como un fluido viscoso. Debido a la circulación provocada en las celdas de convección, se observa que el material del manto asciende en algunos lugares y se hunde en otros; la extensión de la litósfera entre la parte en que ésta se crea y aquella en que se destruye es denominada placa. Hasta la fecha se ha determinado un conjunto de placas de diferentes tamaños que forman la superficie terrestre (Figura 5).

 

 

Figura 5. Distribución en la superficie de la Tierra de las fonteras entre placas: // —centro de creación de nueva litosfera (zona de dispersión); (dibujo)—frontera destructiva entre placas (zona de subducción).

La exigencia teórica de que las placas en la superficie se encuentren viajando constantemente ha sido corroborada experimentalmente. Los desplazamientos de la corteza han sido observados en la superficie después de sismos que ocurren en las fronteras entre placas, en algunos casos estos desplazamientos llegan a alcanzar varios metros de magnitud. Además de esta dramática evidencia, se ha demostrado que existen desplazamientos horizontales en las zonas de dispersión oceánica (Figura 6), donde nueva corteza se está creando al separarse dos placas y las velocidades observadas son de varios centímetros por año. Esto se basa en datos geológicos y geofísicos: las edades medidas en rocas del fondo oceánico indican que las rocas más viejas se encuentran más alejadas del centro de dispersión. También los datos magnéticos apoyan esta teoría, ya que se han localizado 'bandas magnéticas" adyacentes a las zonas de dispersión, que son originadas por las inversiones del campo magnético terrestre (Figura 7).

Figura 6. Esquema que muestra un corte transversal de la Tierra mostrando el movimiento horizontal de las placas y los fenómenos a que este movimiento da lugar, sobre todo en las fronteras entre placas.

 

Figura 7. Sección transversal de una zona de dispersión, en la cual se muestra el proceso de creación de nueva corteza terrestre a través de la intrusión de diques y la consiguiente formación de las "bandas magnéticas".

El campo magnético de la Tierra se invierte con una periodicidad promedio de 500 000 años (aunque la variación en los periodos de inversión es bastante grande). La última inversión fue hace aproximadamente 700 000 años, cuando lo que ahora conocemos como polo norte magnético era el polo sur y viceversa. La causa de este fenómeno aún no ha sido explicada completamente, pero se le ha relacionado con algún efecto de corrientes de convección en el núcleo líquido de la Tierra. El hecho es que estas inversiones han sido grabadas por las rocas, que al solidificarse adquieren la dirección del campo magnético terrestre en ese momento. De esta forma, sobre la zona de dispersión se van a encontrar las rocas que se han solidificado más recientemente y presentan un magnetismo concordante con el campo magnético en ese momento. Al ser separadas por una nueva intrusión de material magmático, si el campo magnético se ha invertido para ese momento, las nuevas rocas adquirirán un magnetismo contrario a las anteriormente solidificadas. De esta forma se van a formar bandas simétricas a ambos lados del eje de dispersión marcando los cambios en la polaridad del campo magnético. Entre las zonas de dispersión mejor estudiadas se encuentra la Cordillera Oceánica del Atlántico, la cual lo recorre de Norte a Sur por su parte central y la de la parte este del Océano Pacífico, especialmente en la zona ecuatorial, que incluye las islas Galápagos. (Figura 5).

Si la corteza que se crea en las zonas de dispersión no se destruyera en algún lugar, esto significaría que la Tierra aumentaría de tamaño en la misma proporción en la que la corteza se está creando (varios centímetros por año). Esto no se observa, pero lo que sí se ha determinado es que hay lugares donde las placas chocan (zonas de subducción) y una de ellas se hunde en el manto, donde se calienta y se funde para completar el ciclo de las celdas de convección (Figura 6). Estas zonas se caracterizan por una alta sismicidad y porque los focos de los sismos se encuentran alineados en un plano que corresponde a la placa fría que se hunde en el manto. El desplazamiento de la placa subducente, además de provocar sismos, genera un movimiento dentro del manto que resulta en ascenso del material de éste. Al encontrarse a una menor profundidad, la presión es menor y la temperatura del material que ascendió sobrepasará el punto de fusión de ese material, disminuyendo su densidad en relación con las rocas circundantes y provocando un aumento en su flotación. El resultado de este proceso es la ascensión de una intrusión magmática que podrá generar actividad volcánica en la superficie. La correlación de los diversos procesos mencionados provoca que las zonas de subducción presenten fajas sísmicas y volcánicas bien definidas, como las que se observan en la costa del Pacífico en Centroamérica y una parte del Suroeste de México.

Podría pensarse que las fronteras entre placas se reducen a las que implican creación o destrucción de litósfera. Sin embargo, existe un tipo más de frontera en el cual ni se crea ni se destruye litósfera, sino que dos placas o trozos de una misma placa "resbalan" horizontalmente entre sí y esto es lo que se llama una falla transformada (Figura 6). Uno de los ejemplos más conocidos es el de la Falla de San Andrés que ha provocado impresionantes desplazamientos horizontales en California y uno de los sismos generados por el movimiento de las placas a lo largo de esta falla causó en 1906 la destrucción de la ciudad de San Francisco, EUA.

Existen además algunas áreas restringidas que presentan un adelgazamiento de la corteza por el ascenso de material del manto, que sin embargo no llega a constituir una celda de convección. A estas áreas se les denomina "puntos calientes" (hot spots) y el ejemplo más conocido es el de las islas Hawaii. Al irse desplazando la litósfera por encima de un punto caliente, éste va dejando su huella en forma de una cadena montañosa compuesta por volcanes extintos (Figura 6).

De los tres tipos de frontera entre placas, son las zonas de dispersión y subducción las que más importancia tienen en el transporte de calor del interior a la superficie de la Tierra. Es en estas zonas, además de los puntos calientes, en donde se van a localizar la mayoría de las manifestaciones superficiales del calor interno de la Tierra, a las cuales dedicaremos el siguiente capítulo.