II. LA TIERRA
ALGUNOS DATOS SOBRE SU ESTRUCTURA Y EVOLUCION
LAS ROCAS que constituyen nuestro planeta están dispuestas desde
el centro del globo hasta la superficie, de mayor a menor densidad. Esto es
algo que se ha inferido a partir de las leyes de la física, de la composición
de los meteoritos y del estudio de las ondas que producen los sismos, mismas
que se propagan a través de la Tierra y cuyo estudio ha permitido a los geofísicos
determinar a qué a profundidades más o menos constantes sufren cambios bruscos
en su velocidad, lo que se relaciona con zonas donde se producen también bruscas
transformaciones en la composición de las rocas, en su densidad y temperatura.
Así, se han definido dos capas gigantescas, el manto y el núcleo
y cada una ellas subdividida en dos (Figura 1). Por encima del manto se
encuentra la capa superior; comparativamente muy delgada, la corteza terrestre.
Figura 1. Estructura interna de la Tierra.
En la medida en que se desciende al interior de la Tierra, la temperatura aumenta en un promedio de 3°C por cada 100 metros, hecho que fue observado desde el siglo pasado en minas profundas. Pero este incremento gradual, conocido como gradiente geotérmico, no se mantiene en esa proporción, sino que, a unos cuantos kilómetros, debe descender; de lo contrario, en la porción profunda del núcleo las temperaturas serían extraordinarias, del orden de 150 000°C. Actualmente se considera que deben de ser de un máximo de 6 000°C. El valor del gradiente geotérmico es muy variable: en algunas zonas volcánicas alcanza 90°C/km, mientras que en otras es de 6°C/km. El calor interno que llega a la superficie terrestre se atribuye fundamentalmente a los elementos radiactivos —todavía abundantes en la constitución de nuestro planeta— y se mide por la cantidad del mismo que atraviesa una superficie en un tiempo determinado: es el flujo térmico o flujo calorífico y se expresa en calorías por centímetro cuadrado por segundo.
Los sismos producen dos tipos principales de ondas que se propagan en el interior de la Tierra de distinta manera. Son conocidas por los múltiples registros que se han hecho en las estaciones sismológicas en distintos puntos del mundo. Las ondas p (primarias) más rápidas, se difunden en un ambiente sólido, líquido o gaseoso; las ondas s (secundarias), sólo aparecen en los sólidos.
La corteza terrestre es la capa superior. Tiene un grosor variable que alcanza
un máximo de 75 km bajo la cordillera del Himalaya y se reduce a menos de 7
km en la mayor parte de las zonas profundas de los océanos. En uno y otro caso
la corteza es distinta, lo que permite diferenciarla entre continental y oceánica
(Figura 2).
Figura 2. Estructura de la corteza terrestre.
La estructura de la corteza continental es la siguiente:
1) Su capa superficial es un conjunto de rocas sedimentarias, con un grosor máximo de 20-25 km, que se forma esencialmente en el fondo del mar por la acumulación de sedimentos (fragmentos rocosos cuyo tamaño va de fracción de milímetro a metros) en distintas etapas de la historia geológica. La edad más antigua de estas rocas es de hasta 3 800 millones de años (m.a.) y hay porciones de la corteza donde dichas rocas no existen, o son capas muy delgadas.
2) Por debajo de la capa de rocas sedimentarias existen (en muchas regiones a partir de la superficie) rocas del tipo del granito, formadas por enfriamiento de magma y constituidas esencialmente por cuarzo y feldespatos (minerales en los que predominan los silicatos de aluminio y potasio, con otros elementos asociados, principalmente sodio y calcio). Se calcula que, bajo los sistemas montañosos, el grosor de esta capa es de más de 30 km.
3) La tercera capa rocosa, que subyace a la anterior, se ha inferido como semejante a los basaltos, rocas magmáticas con menor cantidad de sílice que los granitos y que debe tener un grosor general de 15-20 km, con incrementos de hasta 40 km.
A diferencia de la corteza continental, la oceánica es geológicamente joven en su totalidad, con una edad máxima determinada hasta ahora de 180 m.a.
La palabra continente se refiere a bloques gigantescos constituidos esencialmente por rocas del tipo del granito que se extienden bajo las aguas de los océanos hasta profundidades que varían de los 2 500 a los 4 000 m. La región que emerge por encima del nivel del mar es la tierra firme.
La arquitectura de la corteza es distinta bajo las zonas profundas de los océanos, con un grosor de 5 a 8 km y densidad de 3-3.1. Aquí también encontramos tres capas principales de rocas:
1) Sedimentaria, formada por las acumulaciones constantes de fragmentos de roca y organismos en los océanos. El grosor es muy variable, con máximos de 10-15 km en algunas regiones, hasta menos de 500 m en otras.
2) Subyace una capa de rocas del tipo del basalto de 1.5 a 2 km de grosor, mezclada con sedimentos y con rocas de la capa inferior.
3) La tercera capa está constituida por rocas del tipo del gabro (semejante al basalto en composición, pero de origen profundo) y se calcula que es de unos 5 kilómetros de grosor ( Figura 2).
Parece que la corteza oceánica se debe al enfriamiento de magma proveniente del manto superior.
El limite inferior de la corteza terrestre se ha establecido por las ondas sísmicas que cambian de una velocidad de 7.6 a 8 km/seg., valores promedio. Es un fenómeno de carácter global: se reconoce más o menos a la misma profundidad en toda la Tierra, en una zona de 3-4 km en sentido vertical conocida como discontinuidad de Mohorovicic (Moho, para muchos autores). A partir de ésta continúa el manto, una capa de 2 900 km de grosor, constituida por rocas más densas, donde predominan las peridotitas, rocas de silicatos de hierro y magnesio.
Entre los 100 y 1 000 km de profundidad se produce una aceleración de las ondas sísmicas en varias zonas, pero en especial a 650-670 km de profundidad, lo que ha permitido definir un límite entre el manto superior y el inferior. Se infiere como un cambio de la estructura, de un medio plástico a otro rígido, donde es posible que se conserve la composición química en general.
La velocidad de las ondas p disminuye bruscamente a 2 900 km de profundidad de 13 a 8 km/seg. y las ondas s dejan de propagarse. El paso del manto al núcleo externo, de un medio sólido a otro líquido, es la discontinuidad de Gutenberg.
La corteza continental creció por una diferenciación química del manto superior; que se inició tal vez hace unos 3 800 m.a. Algunos autores, como S. Moorbath, suponen que toda la corteza continental, exceptuando la capa sedimentaria, tiene su origen en la diferenciación de la materia proveniente del manto.
En la base del manto superior la densidad es de unos 5.5. En la porción superior del manto es donde se producen las corrientes de convección: grandes masas de materia fundida, que provienen de zonas de temperatura más altas, semejante al agua que hierve en una olla, desplazándose de la porción más caliente a la más fría. Ésta es la actividad principal del manto superior; en la que influye el calor proveniente del núcleo. Las corrientes de convección son el motor que mueve las placas litosféricas.
El núcleo es una gigantesca esfera metálica que tiene un radio de 3 485 km, semejante por su tamaño al planeta Marte. La densidad varía, de cerca de 9 en el borde exterior a 12 en la parte interna. Se ha inferido que su constitución es de hierro y níquel, con agregados principalmente de cobre, oxígeno y azufre.
El núcleo externo es líquido, con un radio de 2 300 km. La diferencia con el núcleo interno se manifiesta por un aumento brusco en la velocidad de las ondas p a una profundidad entre 5 000 y 5 200 km, lo que ha permitido definir el límite entre ambos núcleos.
El núcleo interno tiene un radio de 1 220 km. Se considera que es sólido y sus temperaturas son del orden de 4 000 a 5 000° C. Es posible que el núcleo interno sea resultado de la cristalización de lo que fue una masa líquida de mayor magnitud y que continúe este proceso de crecimiento.
Se supone también que la energía calorífica influye en el manto, en particular en las corrientes de convección. Este concepto, todavía novedoso, tratado por algunos científicos como R. Jeanloz, hace del núcleo una pieza activa de la dinámica terrestre. Actualmente se considera que el núcleo interno posee un movimiento de rotación y es posible que se encuentre en crecimiento a costa del externo que se reduce.
Muchos especialistas calculan que hace 4 000 m.a. la Tierra ya poseía un campo magnético, es decir; un núcleo metálico definido, lo que representó una nueva etapa de desarrollo del planeta; fue la frontera entre el proceso de consolidación y el enfriamiento de su superficie.
Las capas del interior de la Tierra han dejado de ser cuerpos aislados entre sí para convertirse en partes de un sistema, que como en la maquinaria de un reloj de poleas —de los antiguos— actúan en interdependencia.
Litosfera, astenosfera y mesosfera
La clasificación en corteza, manto y núcleo obedece a cambios de la composición química asociados con otros de temperatura, presión y densidad. Actualmente se utiliza, además, una clasificación basada en la actividad o dinámica interna, donde se reconocen la litosfera, la astenosfera y la mesosfera, a las que se agregan núcleo exterior e interior.
La litosfera comprende toda la corteza terrestre, más la porción superior del manto. Es, en sí, una capa rígida que tiene movimiento sobre otra plástica (astenosfera). El grosor es variable, de 50-150 km bajo los océanos y, hasta 300-400 km bajo los continentes. Está fragmentada en grandes bloques o placas litosféricas.
La astenosfera fue definida de manera preliminar por B. Gutenberg en 1926; con mayor precisión, lo fue hasta fines de la década de los años cincuenta. Su borde superior se encuentra a una profundidad de 50-400 km bajo la superficie, aunque no se conoce su extensión total. Las ondas sísmicas disminuyen su velocidad, en especial las s, al pasar a un medio de menor densidad. Esta capa se destruye de manera constante, ya que al enfriarse se agrega a la base de la litosfera.
La porción del manto que se encuentra bajo la astenosfera es la mesosfera (manto inferior).
Surge el problema de por qué existen los bloques elevados, que son los continentes, y las depresiones oceánicas. ¿Qué fue primero, la corteza continental o la oceánica? ¿Cuándo surgieron? Estas y otras interrogantes no tienen aún una respuesta definitiva.
Una teoría considera que la corteza granítica existe desde que la Tierra se enfrió hace 4 000 m.a. El granito es de menor densidad que el basalto, por lo que se encuentra en la porción superior. Los elementos más pesados deben constituir el núcleo y los más ligeros se encuentran en las capas de la atmósfera. Todo esto es muy lógico, pero actualmente predomina otro punto de vista: la corteza granítica no existía al inicio de la vida de nuestro planeta.
La Tierra, al igual que el resto de los planetas del sistema solar, surgió de una nebulosa solar. Hace 4 600 m.a. debe de haber tenido un tamaño semejante al actual, y se formó por condensación de la materia de la nebulosa, así como por fragmentos de otros cuerpos planetarios que se agregaron. Fue una etapa de crecimiento (acreción) y aumento de la temperatura por efecto, principalmente,de los elementos radiactivos que entonces eran más abundantes; asimismo, se producía una contracción del planeta y los impactos de meteoritos eran frecuentes. Ambos fenómenos contribuían al calentamiento.
El estudio de los planetas del sistema solar ha sido fundamental para entender cómo era la superficie original de la Tierra. Es de aceptación general que los planetas se formaron en una misma época y, aunque están constituidos por los mismos elementos químicos, la proporción en la estructura de cada uno debe de ser distinta. Hay otros factores que los distinguen: su masa y la distancia del Sol. En función de estos parámetros, la evolución de cada planeta ha sido diferente en los últimos 4 000 millones de años.
Se considera que hace 4 000 m.a., la Tierra poseía condiciones semejantes a las de la Luna en la actualidad: no iguales. Un intenso bombardeo meteorítico provocaba la formación de cráteres en la superficie y, en muchos casos, se acompañaba por ascensos de magma que se derramaban rellenando las depresiones. De esta forma se originó una corteza basáltica, semejante a la que subyace a los océanos en sus regiones profundas.
Todavía son pocos los elementos con que se cuenta para apoyar estas teorías, que se basan en el estado actual de la física y la química y en lo poco que se conoce de otros planetas.
La teoría de Laplace, del siglo XVIII, se apoyó en las leyes de Newton. Hoy día la ciencia es distinta; las teorías se perfeccionan o son sustituidas por otras. Continúan en evolución y no han llegado a explicar, en su totalidad, los fenómenos del universo: de la materia y su movimiento, desde las dimensiones cósmicas hasta las infinitamente pequeñas.
En la reconstrucción de la historia de la Tierra sucede lo mismo que en la historia de la humanidad: mientras más nos remontamos en el tiempo, tenemos menos elementos para explicar el pasado. Los archivos —rocas en un caso, restos de culturas antiguas en otro— se reducen considerablemente.
Las rocas que se formaron en la etapa más temprana de la vida de la Tierra, en su corteza original, fueron destruidas, transformadas o cubiertas a lo largo del tiempo geológico. Cuando se realicen análisis de las rocas de Marte y Venus tendremos una información más completa. En la investigación es importante la comparación del objeto en estudio con otro semejante. En la medida en que conozcamos mejor el relieve de los planetas, sabremos más del de la Tierra.
LA EVOLUCIÓN DE LOS CONTINENTES
Para algunas rocas se han determinado edades de hasta 3 800 m.a., mismas que se formaron en un medio acuático, lo cual permite suponer que entre 3 800 y 4 000 m.a. antes se originó la atmósfera. Puede ser que ésta haya existido desde que se constituyó la superficie sólida de la Tierra, por la concentración de los elementos más ligeros durante el proceso de enfriamiento, es la opinión de algunos especialistas; otros atribuyen una gran importancia al vulcanismo de la etapa inicial de desarrollo. Las erupciones volcánicas son ricas en gases, cuya acumulación gradual pudo formar la atmósfera, con una proporción de elementos químicos muy distinta de la actual. Al alcanzar determinada composición surgió el agua, que al precipitarse y escurrir fue rellenando las depresiones del relieve. Pudo haber sido el inicio de la formación de los actuales océanos.
El agua en contacto con las rocas provoca reacciones químicas que van destruyendo lentamente los minerales que las constituyen. Una masa sólida y compacta se convierte en una sustancia deleznable de granos pequeños. La acción mecánica del fluido transporta los fragmentos de roca (sedimentos) hasta los océanos y al depositarlos origina otras rocas, las sedimentarias. Este proceso, de muchos millones de años, representó una nueva etapa en la evolución de la Tierra y, muy en especial, en su relieve.
Algunos investigadores suponen que desde hace 3 500 m.a. se produjeron fracturas profundas que desmembraron la corteza en grandes bloques, lo que pudo haber sido el inicio del movimiento de placas litosféricas.
Los restos de organismos más antiguos que se conocen tienen edades de hasta 3 400 m.a. La vida surgió en sus formas elementales en un medio acuático y evolucionó a lo largo de miles de millones de años, hasta las formas actuales, incluyendo al hombre; las transformaciones son tan complejas como las que ha sufrido el relieve terrestre.
Hace 2 500 m.a. no existían grandes masas continentales, sino menores, y se elevaban sobre el océano; pero fue a partir de esa época cuando creció la corteza continental, lo que en apariencia fue una manifestación de pérdida de calor del manto. Las transformaciones se dieron en la atmósfera y en la vida cuando dominaban algas, hongos y bacterias, dando lugar a la aparición de formas más complejas.
Las capas de rocas sedimentarias crecieron en grosor en las cuencas oceánicas. Procesos internos relacionados con altas temperaturas las transformaron —en algunas regiones— en otras rocas, las metamórficas. Cubrieron territorios cada vez más grandes. Así se fue formando la corteza continental y tuvo un notable desarrollo hasta hace 1 700 m.a.
La separación de grandes bloques dio origen al mar de Tetis (Mediterráneo)
y al de los Urales-Okhotsk y, posteriormente, al cerrarse los océanos, se convirtieron
en sistemas montañosos. Doscientos m.a. antes, todos los continentes estaban
unidos en Pangea (Figura 3). Norteamérica y Eurasia, en el norte, formaban Laurasia;
en el sur; Sudamérica, Africa y la Antártida constituían Gondwana.
Figura 3. Hace 200 millones de años los continentes estaban unidos en uno solo: pangea ( R. Dietz y J. Holden, 1970).
La formación del Atlántico se inició hace 150 m.a. y separo a América de Europa.
En los últimos 50 m.a. se definieron los rasgos principales de los continentes actuales. Aun cuando se conserva mucho de su configuración original, el relieve de la Tierra tiene su desarrollo principalmente en el último millón de años, o dos millones, edad que se atribuye al periodo Cuaternario.
En ese periodo emergieron, sobre el nivel del mar, regiones como parte de la península de Yucatán y de Centroamérica y, las altas montañas del Asia Central, se elevan con una velocidad considerable; se formó el actual Golfo de California, por la separación de la península; surgieron la inmensa mayoría de volcanes jóvenes alineados en continentes y océanos. Esta actividad es simplemente una continuación del movimiento y de la vida en el planeta durante más de 4 000 m.a. No se presenta con la misma intensidad en toda la superficie, sino en determinadas regiones, entre otras, gran parte del territorio mexicano, Centroamérica y el Caribe.
Para concluir, hay que señalar que la Tierra evolucionó con una rapidez considerable, lo que la distingue del resto de los planetas del sistema solar; porque, como considera S. Moorbath, gracias a su masa pudo retener el calor generado por la desintegración de los isótopos radiactivos, mientras que en la Luna, Marte y Venus, la energía calorífica se redujo en un tiempo breve. Todavía hay poca información sobre otros astros. La Luna posee un relieve de cráteres meteoríticos y volcánicos. Parece que conserva el mismo tipo de corteza desde su formación. En su superficie se colocaron instrumentos que registraron sismos, y aunque lo más probable es que éstos se hayan producido por impactos de meteoritos, no se ha descartado el origen profundo de algunos, lo que afirmaría una actividad interna en el satélite terrestre.
Marte, un planeta considerablemente menor que la Tierra, posee una montaña de más de 23 km de altura. La máxima vertical del relieve terrestre es de casi 20 km. Uno de los canales de Marte es una depresión alargada de 1 500 km de longitud por 200 km de ancho y 6 km de profundidad. En Venus predominan las planicies, pero se encuentran también verdaderos sistemas montañosos de origen volcánico; entre otras elevaciones se encuentra la del Monte Maxwell, de 11 km de altura.
El relieve de estos cuerpos celestes no es estático. Se ve afectado por caídas de meteoritos, posible actividad interna e incluso procesos de erosión y acumulación, causados principalmente por el viento.