ORIGEN DE LA TIERRA

1. Tema 3: Evolución geoquímica y diferenciación de la tierra. ORIGEN DE LA TIERRA La acreción homogénea se produce cuando la tasa de acreción es baja comparada con la tasa de enfriamiento de la nebulosa, de tal modo que el equilibrio químico es mantenido entre lo condensado y los gases de la nebulosa la acreción heterogénea surge cuando la acreción es relativamente rápida por lo que los condensados recientemente formados están aislados de, y no pueden equilibrarse con, los tempranamente condensados y los gases nebulosos remanentes. Los modelos teóricos de acreción heterogénea (Clarke et al. 1972) a veces tienen una acumulación de alta temperatura inicial de aleaciones de Fe-Ni formando el proto-núcleo de La Tierra, seguido por acreción a baja temperatura de las partes externas.

2. Las consideraciones teóricas de la secuencia de condensación, a menudo, indica que los silicatos y óxidos ricos en Ca y Al se condensan antes del metal Fe-Ni. Anderson y Hanks (1972) han sugerido por lo tanto que el núcleo de la Proto-Tierra consiste de tales condensados de alta temperatura y eran ricos en Ca, Al, Ti, Th, U y REE (rare-earth elements). Después de la formación del núcleo, el hierro condensa a continuación, después los silicatos de Mg, seguido por los condensados ricos en K y los volátiles, incluyendo agua.

3. HISTORIA PREGEOLOGICA DE LA TIERRASecuencia de eventos que han ocurrido hasta que las condiciones físicas de la superficie del planeta son similares a las actuales (superficie parte roca, parte agua y con una temperatura media determinada por la radiación solar).Tierra como cuerpo planetarioExistencia de corteza terrestre(4.6x109 años)(3.7x109 años)Suponiendo que la tierra se formó por acreación o acumulación gradual de planetésimos (condritos), cuya composición principal es:Fase metálica:Aleación metálica (Fe-Ni)Fase Sulfuro:Troilita (FeS)Fase pétrea o silicato:Olivino: (Fe,Mg)2SiO4 , Piroxeno: (Fe,Mg)SiO3 , y plagioclasa: (CaAl2Si2O8)Turekian en 1.972, propone un modelo de diferenciación de la tierra en capas:Considera la tierra en un principio como un aglomerado aproximadamente homogéneo de planetésimos tipo condritos. Sigue un calentamiento del sistema debido al proceso de radiactividad de elementos inestables (Se estima que hace 4,5x109 años, el calor era unas 7 veces el actual).A los 0,6*109 años, se logra la temperatura de fusión de Fe (metálico) a unos 500 Km de profundidad, y se forma una capa de Fe fundido.Lo anterior produce inestabilidad por la diferencia de densidad entre el Fe fundido y el material silicatado, produciendo el descenso gravitacional de "gotas de Fe fundido", lo que a su vez, produce un calor adicional alcanzando una temperatura de unos 2.000º C a los 100.000 años.

4. Meteoritos Condríticos Fase metálica: (Fe-Ni) Fase Sulfuro: FeS Fase Silicato: (Mg,Fe)SiO3 (Mg,Fe)2SiO4 El material silicatado asciende a medida que el Fe desciende, ocurriendo fusión parcial, reacciones de fase fluida con sólida y cristalización fraccionada. El modelo planteado produce la diferenciación del planeta en tres capas principales: Núcleo, Manto y Corteza. Posteriormente sigue el desarrollo de la Atmósfera, Hidrosfera y Biosfera. DIFERENCIACIÓN PRIMARIA DE LOS ELEMENTOS Suponemos acreación gradual de planetésimos (condritos) para la formación de la tierra: Los elementos químicos se distribuyen entre las tres fases dependiendo de su afinidad por cada una de ellas. La cantidad de Fe combinada está determinada por la cantidad de 0 + S. La distribución de los restantes metales electropositivos está controlada por:

5. M mas electropositivos que el Fe, lo desplazan de los silicatos. Compuestos de carácter iónico: Li > K > Ba > Sr > Ca > Na > Mg > Al > Mn > Zn > Cr > Fe M menos electropositivos que el Fe son desplazados por este de los silicatos y concentrados en la fase metálica La fase sulfuro atrae elementos de electronegatividad intermedia, es decir, elementos capaces de formar enlaces homopolares (carácter covalente): Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > Cu > Hg > Ag > Au La distribución de los elementos químicos en un campo gravitatorio como la tierra, no está controlada por sus densidades o pesos atómicos, sino por su afinidad química en las distintas fases. La gravedad solo controla la posición relativa de las fases en el campo gravitatorio M + Fe-Silicato <==> M-Silicato + Fe DGFe-Silicato <==> DGM-Silicato M + Fe-Sulfuro <==> M-Sulfuro + Fe DGFe-Sulfuro <==> DGM-Sulfuro El factor determinante de la distribución de los elementos es el Fe, debido a su abundancia cósmica preponderante y por estar presente en todas las fases condensadas:

6. Tabla 1 (Henderson, P., 1982. Tabla 4.1, pp 60). Distribución de los elementos en el núcleo, manto y corteza. La Tierra se divide en Núcleo, Manto y Corteza. Las densidades varía desde 12 a 2.8 g/cm3. Esto se traduce en composiciones químicas de las capas diferentes.

7. ESTRUCTURA Y COMPOSICION DE LA TIERRAEl conocimiento de la composición y estructura interna de la tierra, constituye un requisito indispensable para entender la GEOQUÍMICA

8. CLASIFICACIÓN GEOQUÍMICA DE LOS ELEMENTOS: Goldschmidt (1.923): "...Los meteoritos representan un experimento natural de donde se puede deducir el comportamiento de los elementos químicos....." Según su afinidad química los clasifica en: 1.SIDERÓFILOS (fase Metálica) 2.CALCÓFILOS (fase Sulfuro) 3.LITÓFILO (fase Silicato) 4.ATMÓFILO (Gases)

9. Los elementos se agrupan en: Siderófilos (liquido de Fe), calcófilos (líquido sulfuroso), litófilos (líquido silicatado) y atmósfilos o fase gaseosa. Distintos elementos se presentan en un grupo O es litófilo C y P se disuelven en Fe metálico Tl es calcófilo Au, Sn y Mo son siderófilos Co y Ni son siderófilos Ti, Cr, y Mn son litófilos.

10. . Distribución y clasificación geoquímica de los elementos según Goldschmidt, su relación con la clasificación periódica. La composición química del Núcleo, Manto y Corteza Terrestre. Evidencias a partir de datos geofísicos. Predicciones posibles del comportamiento geoquímico de algunos elementos en base a la ley periódica. Distribución de los elementos mayoritarios, minoritarios y trazas.

12. TIPOS DE ONDAS:(Pasan a diferentes velocidades en distintos medios) • Primarias (ondas p): Son las primeras detectadas por los sismógrafos (+ veloces). Poseen una vibración paralela a la dirección de propagación. Se transmiten tanto en medio líquido como en sólido. • Secundarias (Ondas s):Son ondas más lentas que las "p", poseen una vibración en ángulo recto a la dirección de propagación. Solo se transmiten en medio sólido.

14. El estudio de las velocidades de las ondas p y s, muestra una serie de discontinuidades en el interior del planeta, las cuales permiten establecer la siguiente división:Núcleo Interno: entre 5.150 - 6.370 Km, es sólido (1,7% de la masa del planeta), se encuentra como "suspendido" en el núcleo externo. Núcleo Externo: entre 2.890 - 5.150 Km, es líquido y caliente (30,8% de la masa del planeta) y presenta capas en movimiento conductoras de electricidad que al combinarse con la rotación del planeta producen el Campo Magnético de la Tierra. Manto Inferior: Entre 650 y 2.890 Km, posee el 49,2% de la masa del planeta y constituye el 72,9% de la masa del manto y corteza. Probablemente está compuesto de Si, Mg y O principalmente, además de Fe, Ca, y Al de forma similar a la abundancia cósmica en que se hallan en el sol y en los meteoritos. Zona de Transición(Mesosfera): Entre 400 y 650 Km, posee el 7,5% de la masa del planeta y el 11,1% de la masa del manto y corteza. Compuesto por silicatos y aluminosilicatos de estructura compleja, es la fuente de los magmas basálticos. Manto Superior: entre 10 y 400 Km, posee el 15,3% de la masa del sistema manto-corteza. Parte del manto superior se encuentra parcialmente fundido (Astenósfera). De la observación directa en cinturones orogénicos erosionados, la parte residual está compuesta principalmente de Olivino (Mg,Fe)2SiO4 y Piroxeno (Mg,Fe)SiO3. Corteza Oceánica: Entre 0 y 10 Km, posee el 0,099 de la masa del planeta, cubre el fondo de todos los océanos y es de composición basáltica. Corteza Continental: Entre 0 y 50 Km, posee el 0,374% de la masa del planeta, está constituida por rocas ricas en minerales de baja densidad; Cuarzo y Feldespatos principalmente.

15. Transformaciones de Fases en el Manto (Ringwood, 1975) Ringwood (1975) propone un modelo de variación de la mineralogía con la profundidad, el cual está relacionado a las variaciones de densidad e inferidas de la variación de velocidad en las ondas P. Debajo de la discontinuidad de MOHOROVIC, se encuentra una zona de baja velocidad (la velocidad de las ondas sísmicas decrece). Esto se atribuye una fusión parcial del material del manto superior.

16. COMPOSICIÓN DEL NÚCLEO Los datos geofísicos muestran que no es posible obtener la densidad del núcleo como silicato u óxido de alta presión. Estos datos sugieren elementos de transición y el valor que satisface los datos de densidad del núcleo sugieren un elemento de un peso atómico de ~22, pero solo Fe presenta una abundancia cósmica considerable. Esto indica que el componente mayoritario debe ser Fe y debido a la presencia de otros elementos mas livianos como S, C, p y Si además de Ni pueden satisfacer los valores de densidad. Esto está fuertemente apoyado por el análisis de meteoritos metálicos (sideritos) donde se encuentra fases como Troilita (FeS) además de los otros lementos livianos antes nombrados.  El modelo de Arhens (1.9   ), propone a partir de datos geofísicos una concentración de S de ~9%. Partiendo de este valor y de la abundancia cósmica de los elementos, se puede determinar en forma sencilla la composición del núcleo de la Tierra: 1) Sistema (todo el núcleo): a)      Aleación Metálica = Fe + Ni (principalmente) b)      Aleación Metálica + Troilita = 100%  Fe + Ni + FeS = 100% 2) Troilita: a)%Fe(FeS) = (%S/PatS)xPatFe = 15,7% b)      %FeS (troilita) = %S + %Fe(troilita) = 9,0 +15,7 = 24,7% 3) Aleación (Fe-Ni): a)Aleación Metálica + Troilita = 100% b)      Aleación Metálica = 100 - 24,7 = 75,3%

17. 4) Fe Total: a)      Fetotal = Fe en la Aleación Metálica + Fetroilita b)      Fe en la Aleación Metálica = Aleación Metálica - Ni Sustituyendo en 4a: c)Fetotal =(Aleación Metálica - Ni) + Fetroilita 5) Ni en el Núcleo: Utilizando la relación de abundancia cósmica de los elementos: Ninúcleo = 0.0521 x Fetotal Sustituyendo en 4c: Fetotal =(Aleación Metálica - 0,0521 x Fetotal) +  Fetroilita Fetotal + 0.0521 x Fetotal = Aleación Metálica +  Fetroilita Fetotal (1 + 0,0521) = Aleación Metálica +  Fetroilita 1,0521x(Fetotal ) = 73,5 + 15,7 ===>Fetotal = 86,49% %Ni = 0,0521 x Fetotal = 0,0521 x 86,49 = 4,52

20. COMPOSICIÓN  DE LA CORTEZA F.W. Clarke (1.924), estimó un espesor promedio de corteza continental de ~30 Km con la siguiente composición (en volumen): La composición de la corteza fué estimada en base a los resultados obtenidos de 5.159 rocas analizadas (The data of Geochemistry, US Geological Survey, 1884-1925). Los análisis fueron agrupados geográficamente y los promedios de cada grupo coinciden en gran proporción. Esta composición muestra que la corteza es aproximadamente la misma en diferentes regiones, excepto para rocas de islas oceánicas donde la sílice es mas baja (¿Por Qué?).

21. SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 H2O 59,1 1,1 15,3 3,1 3,8 0,1 3,5 5,1 3,8 3,1 0,3 1,1 Esta composición promedio obtenida corresponde a una roca intermedia entre granito y basalto,  reflejando mas el promedio de corteza continental que de corteza terrestre. Las principales objeciones hechas a la manera como se obtuvo esta composición son las siguientes: ·La distribución geográfica de la toma de muestras fue desigual (la mayor cantidad de muestras fueron tomadas en Norte América y Europa). ·Distribución no estadística sobre diferentes tipos de rocas (rocas extrañas o exóticas son mas analizadas que las normales como granitos y basaltos, no se les dio un factor de peso o ponderación). ·Carencia de asignación de peso estadístico según la cantidad de masa del tipo de roca.