VI. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL PLANETA
EL NÚCLEO y el manto determinan predominantemente la composición de la Tierra. En términos de masa, la corteza y sus vecinos externos (hidrosfera, atmósfera) constituyen menos del 0.5% de la masa total del planeta. Sin embargo, no poseemos información directa sobre la composición química del interior de la Tierra. Algunas rocas, por ejemplo las kimberlitas, provienen de grandes profundidades. Esto lo sabemos porque son portadoras de diamantes que sólo pueden cristalizar a las altas presiones y temperaturas que se encuentran en la parte superior del manto. Aun así, estas profundidades son pequeñas comparadas con el radio del planeta. Por lo tanto, para conocer la composición química del interior de la Tierra y su estado físico es necesario deducirlos a partir de la información que podemos obtener en su superficie. Dos fuentes de información nos proporcionan los datos que pueden utilizarse en esta empresa. Una la constituyen los datos que pueden obtenerse en la superficie de la Tierra, por ejemplo las trayectorias y velocidades de las ondas sísmicas que hemos visto en la sección anterior; la otra, los datos aportados por los meteoritos.
Figura 17. (a) y (b) Estructura interna de la Tierra; (c) distribución de velocidades en el interior de la Tierra.
Ambas fuentes nos indican que el núcleo de la Tierra es de naturaleza metálica y el manto y la corteza de constitución lítica, es decir, rocosa. Ahora bien, poseemos un conocimiento directo de lo que es una roca, y las vemos por doquier en la superficie de la Tierra. Aunque nos parecen un material harto heterogéneo y al parecer sin orden interno, poseen, por el contrario, características muy importantes que nos dan información sobre su origen e historia.
Veamos algo sobre ellas. Las rocas pueden definirse como un conjunto de minerales que se presentan naturalmente y en cantidad suficiente para poder ser representadas en un mapa. Ahora bien, ¿qué es un mineral? El término nos trae a la memoria algunos minerales muy particulares como el oro o la plata. La mayoría de los componentes de las rocas son minerales. Un mineral es una sustancia química que ha solidificado naturalmente en forma cristalina. En una sustancia cristalina los átomos que la constituyen se encuentran ubicados con cierta regularidad (Figura 18).
Figura 18. (a) sólido cristalino; (b) sólido amorfo.
Si examinamos una roca nos daremos cuenta de que en realidad está formada por una colección de minerales. Entre estos minerales, los más importantes por cuanto a la composición de la Tierra se refiere son aquellos que poseen grandes cantidades de silicio y oxígeno y son por eso llamados silicatos. Los silicatos son el grupo mineral más importante y por ello se les conoce como "formadores de rocas".
El ladrillo fundamental de que están constituidos los silicatos es un tetraedro formado por cuatro átomos de oxígeno y uno de silicio (Figura 19).
Figura 19. El tetraedro de silicio y oxígeno es el bloque fundamental de que están compuestas las rocas.
Los variados silicatos se diferencian unos de otros por la forma en que estos tetraedros se enlazan entre sí y por los átomos de otros elementos que se les asocian. Entre estos últimos, el fierro y el magnesio se encuentran con gran abundancia en los silicatos que componen la corteza oceánica y las rocas de origen profundo; por esta razón se cree que el manto tiene una composición similar. A los minerales ricos en silicatos ferromagnesianos y a las rocas que forman se les llama rocas ferromagnesianas o básicas. En los minerales que forman las rocas continentales disminuye el contenido de fierro y magnesio y aumenta, por el contrario, el sodio y el potasio. A las rocas de este tipo se les llama rocas ácidas.
Ahora bien, si el manto es también de composición lítica surgen dos preguntas: ¿qué tipo de minerales lo componen?, ¿cuál es la naturaleza de la transición entre la corteza y el manto?
Con respecto a la primera pregunta, hemos visto que los minerales del manto son probablemente silicatos ferromagnesianos, pero desconocemos su composición y estructura exacta. Para poderlos conocer sin ambigüedad tendríamos que ser capaces de perforar el planeta hasta las profundidades que deseamos conocer. Hace algún tiempo los Estados Unidos iniciaron un proyecto, llamado Mohole, para perforar la corteza terrestre y obtener muestras de su base y del manto. En la guerra de prestigios, no tardaron en seguirlos los rusos con un proyecto similar. Los estadounidenses eligieron un sitio en las costas de California pues, como hemos visto, la corteza es más delgada en el océano. Sin embargo, su proyecto fue abandonado luego de haberse perforado solamente algunos kilómetros. En cambio, el proyecto soviético continúa y a la fecha se han perforado ya alrededor de 13 km en la península de Kola. Las muestras de rocas así obtenidas proporcionan información directa de gran importancia sobre el interior de la corteza, pero desgraciadamente las rocas del manto inferior y del núcleo quedan más allá de nuestro alcance.
Así las cosas, los científicos adoptan procedimientos indirectos para tratar de establecer la naturaleza del interior de la Tierra. Estos procedimientos, desde luego, conducen a teorías con diversos grados de fundamento; sin embargo, cualquier teoría que se establezca sobre el interior del planeta debe ser consistente con los datos proporcionados por otro tipo de observaciones. En primer lugar, la composición que se proponga debe ser consistente con la densidad del planeta y con la velocidad de las ondas sísmicas. Por otra parte, desde el punto de vista geoquímico, la composición supuesta debe ser tal que explique la formación de los magmas que originan los productos volcánicos que observamos en la superficie. Desde el punto de vista petrológico, los minerales que componen las rocas deben ser factibles a la presión y temperatura a que probablemente se encuentran las rocas a una profundidad dada.
Estas restricciones conducen a un número reducido de modelos sobre el manto aunque, hasta la fecha, no existe una teoría única. En la figura 21 aparecen varios modelos que satisfacen las condiciones señaladas; sin embargo, no poseemos evidencias claras que nos permitan elegir uno inequívocamente.
La figura 20 ilustra dos tipos fundamentales de modelos de la discontinuidad. El primero es de orden químico, y explica la transición en términos de un cambio químico, como el que se produce en un vaso de agua en el que ponemos un poco de aceite. La transición entre el aceite y el agua constituye un cambio químico. El segundo tipo de modelo es el de cambio de fase: en este modelo la transición es similar a la que existe entre el hielo y el agua en un lago congelado.
En el primer tipo de modelo se supone que el manto está compuesto por una roca llamada peridotita, que consiste esencialmente en olivino y cantidades menores de piroxenos y granates; en el segundo, el manto tendría una composición basada en la eclogita, una roca compuesta de partes iguales de piroxeno y granate.
En ambos tipos de rocas las ondas sísmicas se propagan aproximadamente con una velocidad que satisface los datos observados. Ambos tipos de rocas, por otro lado, pueden dar origen al basalto que se observa en la actividad volcánica de la superficie. Así pues, cualquiera de los dos tipos de rocas podrían ser los constituyentes del manto superior.
Si tuviéramos información precisa sobre la distribución de densidades en el manto, podríamos señalar alguno de los modelos como el más probable, porque la eclogita es más densa que la peridotita, pero desgraciadamente no contamos con dicha información. Conocemos el valor de la densidad promedio de la Tierra y el de las rocas de la superficie, pero para estimar cómo varía con la profundidad es necesario suponer algún valor en la superficie de las diferentes discontinuidades del planeta. Como estos valores son estimados aproximadamente, puede existir un sinnúmero de distribuciones que arrojen la misma densidad promedio. La figura 21 nos muestra los tipos de densidades que pueden existir en el interior de la Tierra.
Figura 20. Dos modelos de composición del manto superior (tomados de Wyllie, 1971).
Como puede observarse, la distribución de densidades en el interior de nuestro planeta podría ser cualquiera de las encontradas entre los límites dados por las líneas punteadas. Distribuciones de densidad que salen de estos márgenes son difícilmente factibles pues serían inconsistentes con la información sobre el interior de la Tierra que hemos mencionado anteriormente.
Figura 21. Gráfica de densidad con profundidad en la Tierra. Las zonas sombreadas muestran valores posibles de densidad para cada profundidad.
Nos podemos preguntar ahora si la composición supuesta para el manto superior es la misma en la zona de transición y en el manto inferior. Como habíamos visto anteriormente, a profundidades de 400, 650 y 1 050 km encontramos discontinuidades abruptas en las velocidades sísmicas. La región comprendida entre los 400 y 1 050 km es conocida como zona de transición y a partir de ésta encontramos el manto inferior.
Tanto la zona de transición como el manto inferior deben poseer densidades más elevadas que el manto superior. En 1963 K. E. Bullen, un científico inglés, demostró que esto es necesario puesto que si se supusiera una misma densidad para todo el manto, se necesitaría una masa extraordinaria en el núcleo exterior para satisfacer el momento de inercia que se ha determinado para la Tierra.
Ahora bien, ¿a qué se debe esta diferencia de densidades? Existen dos factores que pueden explicarla:
En primer lugar, a profundidades del orden de varios cientos de kilómetros la presión debida al peso de las rocas sobreyacentes es tan grande que los minerales que constituyen la roca sufren un cambio en su estructura, de tal manera que los átomos que los componen se arreglan en conjuntos más compactos (Figura 22). En estos nuevos arreglos la densidad es obviamente mayor. Este efecto ha sido observado en numerosas ocasiones en experimentos de laboratorio.
Figura 22. Dos formas de "empaquetamiento" de un mineral con la misma composición química (tomado de Garland, 1971).
Así, tanto la zona de transición como el manto inferior tendrían la misma composición del manto superior pero en estructuras cristalográficas de redes muy cerradas.
A finales de los años sesenta F. Press y D. L. Anderson, geofísicos americanos, demostraron que además es muy posible que el aumento de densidad se deba también a una mayor abundancia del fierro con respecto al magnesio en estos silicatos.
Las discontinuidades que hemos descrito hasta ahora son de tipo radial, es decir, se mantienen alrededor del globo. Actualmente se sabe que el planeta tiene heterogeneidades laterales que probablemente están relacionadas con el flujo convectivo del manto, que causa el movimiento de la corteza terrestre. En 1986 un grupo de científicos estadounidenses, entre quienes puede citarse a A. M. Dziewonski y a C. Morelli, publicaron sus resultados sobre la aplicación de la técnica conocida como "tomografía" al estudio del interior de la Tierra y en ellos describen la existencia de grandes regiones de anomalías sísmicas distribuidas en un patrón aparentemente irregular a través del manto. Es muy posible que estas anomalías reflejen la dirección en que está fluyendo el mismo. La razón de esta suposición se basa en que si el manto tiene una dirección de flujo, los cristales que componen las rocas de éste se orientan por el "arrastre" en direcciones paralelas a la dirección del flujo. Es sabido por otra parte que los cristales transmiten las ondas con diferentes velocidades a lo largo de los diferentes ejes cristalográficos. Además de estas anomalías en el interior del manto, descubrieron anomalías en la frontera manto-núcleo, que pueden interpretarse bien como cambios de composición química, en cuyo caso presentan una analogía con los continentes sobre la superficie del planeta, o bien como cambios internos del núcleo debidos a transiciones de fase que podrían deberse al crecimiento del núcleo interno por enfriamiento y solidificación del núcleo externo.
Es conveniente hacer una referencia a la técnica mencionada, cuyo nombre completo
es tomografía axial computarizada (TAC). Esta técnica fue introducida
en medicina desde los años setenta. La técnica médica consiste en enviar haces
de rayos X a través del cuerpo humano. A diferencia de la técnica tradicional,
en que sólo se hace una emisión y se recoge en película, la TAC
requiere de un barrido de rayos X que posteriormente son recogidos por detectores
electrónicos y enviados a una computadora. Al hacerse un barrido, las diversas
partes de la zona en estudio reciben rayos con diferentes trayectorias, de manera
que todos los rayos acarrean información sobre la absorción de un mismo grupo
de órganos. La computadora analiza la información que sobre la misma región
aportan los haces de diferentes trayectorias y la sintetiza para producir una
imagen tridimensional, evitándose así que algunos órganos enmascaren a otros
como en los rayos X tradicionales.
En el caso de la Tierra, las ondas sísmicas hacen el papel de los rayos X y el planeta el del paciente. La diferencia entre la tomografía geofísica y la médica estriba en que en esta última los rayos X aportan información sobre la absorción de los diferentes órganos mientras que en aquélla las ondas sísmicas aportan información sobre la velocidad a que viaja una onda sísmica en una determinada región. En otras palabras, la infinidad de temblores que se han producido al menos en las últimas dos décadas han producido rayos sísmicos que viajan con distintas direcciones a través de la misma zona de estudio. La computadora analiza los tiempos de viaje de una multitud de rayos a través de una región y ajusta la velocidad hasta que los tiempos de llegada a las diferentes estaciones son satisfactorios para todas ellas. Así, se logran dilucidar cambios locales en las velocidades sísmicas que luego son interpretados como cambios en la composición o en las características físicas de una región tridimensional.
En realidad, el principio operacional de la tomografía no es demasiado novedoso para los geofísicos, quienes llevan más de medio siglo realizando análisis muy semejantes. Pero sólo hasta hace poco se ha contado con computadoras lo suficientemente veloces y grandes para realizar la tarea descrita, y con la información que durante años se ha ido acumulando lentamente en el International Seismology Centre localizado en Londres. Este centro internacional acumula continuamente la información proveniente de la red mundial.
Con respecto al núcleo terrestre, ya desde principios del siglo se había sugerido que éste se componía de una aleación de fierro y níquel. Esto es consistente con la composición de los meteoritos metálicos y apropiado para explicar la densidad promedio de la Tierra, su momento de inercia y la existencia del campo magnético. Sin embargo, cualquier aleación de fierro y níquel, a pesar de las incertidumbres en la determinación de la densidad del núcleo, ofrecería una densidad mayor que la esperada. Así, es muy probable que un elemento ligero forme parte de la composición del núcleo. A partir de la composición química de los meteoritos, existen dos elementos que podrían encontrarse en el núcleo. Uno de ellos es el azufre y el otro el silicio.
Dos modelos en los que estos elementos ocupan el papel principal fueron propuestos en los años sesenta por B. Mason y A. E. Ringwood, geofísicos británicos. El cuadro 7 muestra la composición del núcleo según ambos investigadores:
UADRO 7. Composición del núcleo según los modelos de B. Mason
y A. E. Ringwood
|
||
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
FUENTE: P.J. Wyllie, The Dynamic Earth,
1971. |
||
El núcleo interno es probablemente de composición similar al externo pero en estado sólido. Esto es posible, a pesar de las enormes temperaturas a que debe estar el núcleo, si el punto de fusión del material que lo compone aumenta más rápidamente (debido a las grandes presiones existentes) que la temperatura (Figura 23).
Figura 23. Variación de la temperatura con la profundidad en la Tierra y su comparación con la temperatura de fusión del hierro a diferentes presiones (tomada de Press y Siever, 1974).
Hemos visto a grandes rasgos los resultados más importantes sobre la composición y estructura del interior de la Tierra. Las investigaciones en esta área continúan ensanchando nuestros conocimientos sobre el planeta y planteando nuevos problemas.