UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

NOTAS DE GEOLOGÍA PARA INGENIEROS CIVILES Y AMBIENTALES

JUAN MONTERO-OLARTE

Documento en revisión - 2009 PRÓLOGO

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PRÓLOGO El medio ambiente constituye todo lo que rodea los organismos e influye sobre ellos; comprende los factores abióticos que constituyen el medio físico: agua, aire, suelo, roca; junto con las condiciones tales como temperatura, humedad y calor y los factores bióticos como el hombre (individuo y sociedad) y otros seres vivos. Los procesos geológicos se relacionan con el medio físico y la geología ambiental es la parte de la geología que trata las relaciones entre el ser humano y el ambiente físico. Estudia el origen y comportamiento de las rocas, suelos y otros materiales naturales sólidos; el agua en sus distintos estados; y la atmósfera. Así mismo los múltiples procesos que originan las formas del relieve y aquellos que lo modifican de manera continua. Desde la perspectiva del medio ambiente la geología se ocupa de investigar la interacción de los seres vivos, en particular de los seres humanos con el medio bio-físico. En el estudio ordenado de la tierra se reconoce el planeta tierra como parte del sistema solar en el cual interactúan cuatro grandes dominios: (1) La atmósfera: capa gaseosa que rodea la tierra, en la cual se originan los fenómenos climáticos (lluvia, viento, temperatura) y provee los elementos vitales requeridos para sostener la vida en la tierra. (2) La litosfera: capa sólida, constituida por rocas y suelos, que conforman la plataforma firme donde se desarrolla la vida humana; sabemos que esta capa está integrada por fragmentos rígidos conocidos como placas tectónicas placas que interactúan con la astenosfera sobre la cual flota y se mueve, dando origen a las formas dominantes. (3) La hidrosfera: conformada por el agua de los mares mares, lagos, corrientes y glaciares y (4) La biosfera, que comprende todos los seres vivos, los cuales utilizan los gases de la atmósfera, el agua de la hidrosfera y los nutrientes y recursos en general de los tres dominios para sobrevivir y desarrollarse, de tal manera que la biosfera interactúa todo el tiempo con los tres dominios restantes. La interacción mutua de los tres dominios abióticos: atmósfera, litósfera e hidrósfera, o de estos 3 dominios con la biosfera, determina constantes cambios (procesos geológicos), responsables del origen y evolución del relieve. En relación con esta interacción la geología, desde su perspectiva dinámica, estudia procesos como la erosión, los deslizamientos, flujos y avalanchas; la ocurrencia de sismos, ciclones, maremotos o inundaciones y en su conjunto todo tipo de eventos o fenómenos, que por si mismos no son peligrosos en la medida que el hombre no se exponga a ellos o no los induzca a través de sus actividades. Todos estos procesos constituyen el motor de la dinámica morfológica y la geomorfología se ocupa del estudio de esta dinámica. (Figura 1) Por otra parte el hombre explota los recursos minerales, hídricos, energéticos, alimentarios y de todo tipo para sobrevivir y desarrollarse y permanentemente se expone a las amenazas naturales. Estos recursos se han estado agotando con el tiempo.

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Figura 1: interacción de los dominios geológicos

En el inicio de nuestra era la tierra contaba con 150 millones de personas que ocupaban el vasto imperio Romano, el imperio Chino y otros lugares dispersos. En los siguientes 1900 años (19 siglos) la población humana se incrementó más de diez 10 veces (16.000 millones) y desde entonces, como consecuencia de la revolución industrial, en solo un siglo se ha dado una inconcebible explosión demográfica. La población del mundo rompió la barrera de los 6.500 millones de personas; situación que contrasta con una dramática escasez de recursos y de sitios para vivir; además, no todos los sitios son igualmente amables para establecerse y desarrollarse. Se trata entonces de acceder en de manera conservativa a los pocos recursos de que disponemos, sin exponernos a las amenazas naturales. Las amenazas naturales interviene de múltiple formas y por lo general el hombre ha logrado establecer estrategias y mecanismos de prevención y defensa o prácticas y políticas que reducen los costos y minimizan los daños, por lo menos en los países más desarrollados. Por otra parte, el lento deterioro del medio ambiente ha generado unos peligros aparentemente imperceptibles pero muy significativos, como el calentamiento global de la atmósfera y la perforación de la capa de ozono, que no han recibido la atención debida. El mejor conocimiento de la naturaleza de los materiales naturales y la

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compresión de los fenómenos que ocurren en la tierra nos da la oportunidad de obtener los beneficios de los recursos y señalarnos el camino para convivir de la mejor manera posible con los peligros naturales. Por otra parte, las obras de ingeniería se construyen sobre la superficie de la tierra o enterradas en ella a profundidades variables, y la mayoría de los materiales que se usan en su construcción son naturales, principalmente rocas y suelos. De ahí la importancia que tiene para los ingenieros conocer el origen y comportamiento de estos materiales, cuyas características difieren mucho del concreto u otras sustancias elaboradas, en varios aspectos. Mientras el ingeniero puede decidir dentro de ciertos límites, sobre la resistencia y durabilidad del concreto y el acero, o cualquier otro material que elabore para usarlo en una obra y por tanto puede prever como se va a comportar con el tiempo, ha tenido que investigar durante muchos años para conocer las propiedades de los suelos, las rocas y otras substancias naturales, las cuales según ha aprendido difieren de las de los materiales elaborados en muchos aspectos: (1) mientras que los materiales elaborados son por lo general homogéneos y durables a voluntad; las rocas y los suelos poseen una composición variable, no solo de un sitio a otro sino también bajo el efecto del tiempo; (2) mientras que los materiales elaborados son por lo general isotrópicos, la disposición de las rocas y los suelos en capas u horizontes más o menos definibles crea efectos direccionales de la resistencia y otras propiedades; (3) a diferencia de los materiales elaborados, las rocas y los suelos poseen discontinuidades estructurales tales como estratos o diaclasas que redistribuyen esfuerzos; (4) las condiciones de borde en el caso de los materiales naturales no están claramente definidas, como en el caso de las estructuras; por ejemplo la interacción de esfuerzos entre una placa y una columna en un edificio está claramente concebida y definida, en tanto que la interacción de esfuerzos entre ese edificio y su cimiento no lo están: no sabemos dentro de qué límites van a cambiar las condiciones de esfuerzos, ni cómo se va a intervenir el flujo de agua en el subsuelo a causa de la obra; (5) mientras que las propiedades mecánicas de los materiales elaborados son preestablecidas en relación con las condiciones de esfuerzos y flujo de agua actuantes en un sitio particular, estas mismas propiedades en los suelos y las rocas dependen de la historia y estado de esfuerzos y las condiciones de flujo de agua. Por ejemplo, comparando el comportamiento de una excavación a través de una masa granítica con el de una excavación semejante en una masa lutítica, ambas rocas responden de una manera diferente en los aspectos de rigidez y liberación de esfuerzos, en concordancia con los diferentes procesos geológicos que dieron lugar a la formación de estas rocas y la respuesta diferente ante el estado de esfuerzos y condición de flujo actuantes en el sitio debido principalmente la la profundidad de la excavación; (6) finalmente, el ambiente geológico, cambiante de manera muy poco precedible con el tiempo, tiene una influencia muy particular en el comportamiento de las obras que construyen los ingenieros, como consecuencia de los procesos naturales que pueden afectar las obras tales como, las fluctuaciones del nivel freático, el comportamiento de los cauces de los ríos y torrentes, los sismos, la denudación (acción conjunta de la erosión y la remoción en masa) y muchos otros procesos naturales, algunos de los cuales el hombre en su inmensa capacidad destructora, ha tenido el atrevimiento de intervenir con efectos tales como los cambios climáticos y muchos tipos de contaminación del ambiente.

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Los geólogos han establecido que los procesos naturales que originaron los valles, las montañas y otras formas del relieve que observamos, han actuado siempre en el pasado, de manera muy parecida al presente. Con base en este concepto es más fácil interpretar y hacer seguimiento de procesos tales como la erosión, los movimientos en masa, los sismos, las erupciones volcánicas y otros fenómenos naturales, de mucho interés para los ingenieros. Conjuntamente con información proveniente de otras fuentes del conocimiento como la hidrología, la geomorfología, la edafología, la geofísica, el ingeniero es capaz de seleccionar sitios apropiados cada vez más limitados para ubicar sus obras, y de conocer las condiciones de seguridad y estabilidad permanente de las obras que debe diseñar, construir y mantener, así como evaluar los costos y proyectar tales actividades y trabajos. En estas notas se compendia de el conocimiento básico de geología que un estudiante de ingeniería o geología para ingeniería debe conocer sobre la génesis y el comportamiento de los materiales naturales que se usan en la construcción de las obras de ingeniería y sobre la manera como los procesos naturales influyen en la concepción, realización y permanencia de tales obras. Este conocimiento, complementado más adelante en cursos avanzados sobre los fundamentos de la mecánica, las dinámica y la hidráulica, le permiten al joven ingeniero incursionar en el campo de la geotecnia con mayor seguridad, solvencia y confianza. Los deslizamientos, los huracanes y otros procesos semejantes son de origen completamente natural y causan tragedias solo en la medida que el hombre se exponga a ellos, es decir que, desde este punto de vista no hay tal cosa como destres naturales, sino una actitud imprudente y temeraria de los humanos frente a estas fuerzas de la naturaleza, de las cuales es posible ponerse a salvo. Por otro lado el hombre requiere para vivir y subsistir, de los recursos de la naturaleza. Debe ser en este caso muy cuidadoso al acceder a estos recursos sin provocar daños y desencadenar las fuerzas de la naturaleza en su contra. Por esto, debe ubicar sus viviendas y servicios en sitios que no estén amenazados por deslizamientos o no provocar estos eventos trabajos; usar de manera racional la dinamita; explotar los bosques sin destruirlos; entregar con cuidado sus aguas servidas en las ciudades; etc. Todo esto plantea muchas relaciones entre la geología y el manejo racional del medio fisico en una ciencia conocida como la geología ambiental. En esta publicación se describe preliminarmente el universo, el sistema solar y la tierra; se describen con algún detalle los procesos que se dan lugar en la tierra, en particular en su corteza; se estudian las rocas y los suelos como parte del hábitat y recurso de los seres humanos y los procesos que se dan lugar en la tierra principalmente en relación con las amenazas naturales. Se tratan múltiples procesos originados en fuerzas internas (ej sismos) y externas (ej. Erosión) que crean o modelan el relieve, y nos afectan de alguna manera. (Tabla1). Un singular desafío se plantea en el caso de nuestro país. Se ubica en la zona tropical, la más lluviosa del mundo; a la vez que el cinturón de fuego del Pacifico, la zona más expuesta a la actividad sísmica y volcánica del globo. Por si esto fuera poco habitamos las montañas, las regiones más vulnerables; y nuestros recursos económicos y tecnológicos son muy limitados. Debemos interponer a esas dificultades toda nuestra capacidad.

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Tabla I: Estrategia para el estudio de la tierra: sus materiales y sus procesos

1. Para escoger el sitio donde vive y desarrolla su actividad el hombre por instinto le da prioridad a la disponibilidad de recursos (alimento, vivienda, bienes en general y otras oportunidades), menospreciando por ignorancia o por temeridad los peligros. 2. Pero la experiencia le ha enseñado que tiene que preocuparse con igual interés por que los sitios que escoge para sobrevivir y desarrollarse no estén expuesto a las amenazas naturales, para evitar riesgos que pueden afectar su vida y sus bienes. Es importante entonces que el hombre identifique y clasifique las amenazas (naturaleza, características, recurrencia) y aprenda a convivir con ellas. 3. Para entender el compromiso se debe abordar el problema de manera ordenada: (1) Universo: la tierra es un planeta del sistema solar que interactúa con el sol, núcleo del sistema solar, y la luna su satélite. La energía, el clima, el tiempo atmosférico etc., son fenómenos que resultan de esa interacción. (2) La Tierra constituye a su vez sistema en el cual interactúan 4 subsistemas: Atmósfera, Litósfera, Hidrósfera y Biosfera.

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Capítulo 1

EL U IVERSO Y EL SISTEMA SOLAR 1. I TRODUCCIÓ 1.1 Generalidades El Universo es el conjunto de todas las cosas y fenómenos que existen: materia, energía, espacio y tiempo. Es inmensamente grande pero tiene límites. Tuvo un comienzo y conocemos bastante sobre su origen y evolución. Está constituido por estrellas, galaxias, cuásares, púlsares y agujeros negros. Las estrellas son masas de gases, principalmente H y He que emiten luz y se encuentran a temperatura muy elevada. Nacen, se desarrollan y se extinguen todo el tiempo. Las más cercanas a nosotros distan 4,3 años luz1 de la tierra. Las estrellas, junto con gases y polvo interestelar, se acumulan para formar las galaxias de las cuales hay centenares de miles de millones en el universo. Nuestro planeta tierra se encuentra en una de ellas: la Vía láctea (Figura 2), la cual se desarrolla en espiral y contiene unos 100.000 millones de estrellas, entre ellas el Sol. Tiene forma de lente convexa y en uno de los brazos de ese espiral está el Sistema Solar, integrado por el Sol, los planetas y otros cuerpos celestes que giran a su alrededor. El sistema Solar se mueve a unos 270 Km/seg y cada 225 millones de años completa un giro alrededor del centro de la Vía Láctea.

Figura 2 La Vía Láctea

1.3 Origen del universo Dos teorías explican el origen del universo entre otras: La del Big Bang y la Teoría Inflacionaria. La primera supone que hace unos 15 mil millones de años toda la materia del universo estaba concentrada en una zona extraordinariamente pequeña, inconcebiblemente 1

Año Luz: Distancia que puede recorrer la luz en un año: 9,46 billones de kilómetros. Si una estrella

está a 10 años luz, la vemos tal como era hace 10 años. La velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 300.000 km/seg.

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densa y caliente que explotó con gran energía y se expandió en todas direcciones, en un espacio que no existía. Hubo choques y un cierto desorden que permitieron agrupación de la materia y concentraciones locales en el espacio, las cuales dieron lugar a estrellas y galaxias, que se están separando en el espacio cósmico. Esta teoría es matemáticamente correcta y explica el origen del universo desde un instante después de la explosión pero no explica el momento cero llamado Singularidad. Por su parte la teoría inflacionaria de Alan Guth intenta explicar los primeros instantes del universo y supone que una fuerza única se dividió en las 4 que ahora conocemos. El empuje inicial fue tan fuerte que a pesar de que la gravedad frena las galaxias, el universo está creciendo. Estas dos teorías se complementan.

2. ORIGE Y EVOLUCIÓ DEL U IVERSO 2.1 Introducción De acuerdo con la teoría cosmológica el universo surgió en un instante definido hace más de 14.000 millones de años. El astrónomo estadounidense Edwin Hubble, descubrió, en la década de 1920, que el Universo está integrado por cúmulos de galaxias que se alejan entre si en un procesos de expansión. Si los componentes del Universo se están separando, esto significa que en el pasado estaban más cerca, y retrocediendo lo suficiente en el tiempo se llega a la conclusión de que todo salió de un único punto matemático conocido como singularidad. Todo estaba concentrado en ese punto inconcebiblemente denso y caliente. Luego la temperatura desciende y se forman las partículas elementales; y más tarde los primeros átomos, las moléculas, las estrellas y todos los cuerpos celestes. En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow y sus colegas confirmaron que el Universo apareció a causa de esa explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron minutos después de la Gran Explosión, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo permitieron la fusión de partículas subatómicas y la formación de los primeros elementos químicos. (Figura 3). Se produce entonces una gran explosión: BIG BANG (Figura 4) a partir de la cual se inician la energía, la materia, el tiempo y el espacio. No había ningún lugar ‘fuera’ de la bola de fuego primigenia, ni ningún momento ‘antes’ del Big Bang. Es el propio espacio lo que se expande a medida que el Universo envejece, alejando los objetos materiales unos de otros.

Figura 3 BIG BANG o Gran Explosión

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Investigaciones recientes indican que el Hidrógeno y el Helio fueron los productos primarios de la Gran Explosión, y que los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez; más tarde el universo se enfrió un poco, entonces el Helio y el Hidrógeno se condensaron en estrellas y galaxias. En una de esas galaxias. La vía láctea, se formó el sistema solar donde se encuentra la tierra. Esta teoría se basa en la Relatividad general de Einstein y se apoya en principios de física nuclear y en la física de las partículas elementales y las interacciones entre éstas. Estos principios constituyen la base de la cosmología moderna. La teoría del Big bang es consistente con la observación de fenómenos y explica satisfactoriamente la evolución del universo desde el primer segundo de su existencia pero no explica lo que pasó antes de ese primer segundo. Estas incertidumbres son satisfechas en la hipótesis inflacionaria de Alan Guth y Andrei D. Linde (1980) que complementan la teoría del Big Bang.

2.2 Comprobación del Big Bang 2.2.1. Brillo de las estrellas y distancia El Brillo Intrínseco de una estrella se define como la cantidad de luz emitida ésta. Depende de su tamaño, su masa y su edad. El brillo aparente por otra parte, es la cantidad de luz que percibimos al observarla y depende del brillo intrínseco y de la distancia. Entre más alejada se encuentre, más débil es su brillo aparente. Así que la distancia se puede conocer si sabemos cómo es su brillo intrínseco o luminosidad (los científicos ya saben cómo hacerlo), y al mismo tiempo medimos su brillo aparente. 2. 2.2. Efecto Doppler Cuando se escucha el pito de un carro que se acerca, su tono es más agudo (mayor frecuencia), que cuando se aleja. Algo similar sucede con la luz: Los átomos emiten y absorben luz en cantidades discretas de energía. Cuando la luz emitida por una estrella pasa por sus capas de gas exteriores, las ondas de una determinada longitud son absorbidas por los átomos que la conforman y en el espectro de luz emitido por la estrella aparecen unas bandas oscuras como testimonio de esta absorción. Cuando una estrella se aleja o se acerca a nosotros, debido al Efecto Doppler cambian las longitudes de onda que se perciben y las líneas de los espectros cambian de lugar. En la Figura 6 se muestra el espectro de absorción de la luz de una estrella, con dos líneas negras que corresponden a la luz que fue absorbida por átomos presentes en la atmósfera de la estrella:

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Primer espectro: el de una estrella en reposo relativo a nosotros. Segundo espectro: el de una estrella que se aleja de nosotros; las líneas del espectro se corren hacia el rojo. Tercer espectro: el de una estrella que se acerca a nosotros; las líneas del espectro se corren hacia el violeta.

Figura 6 Espectro de absorción de la luz de una estrella,

3. LA TIERRA E EL SISTEMA SOLAR De acuerdo con investigaciones astronómicas sobre el origen del sistema solar, el Sol y sus planetas se formaron a partir de una nube de gas primordial compuesta por 80% de Hidrógeno, 15% de Helio y el restante 5% representado en Metano, Amoniaco, Silicatos y cantidades muy pequeñas de Oxigeno, Nitrógeno y Carbono. (Figura 7).

Figura 7: COMPOSICIÓ QUÍMICA DE LA UBE PRIMORDIAL

En la Figura 8 se ilustra cómo evolucionó esa nebulosa y se originaron los planetas.

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Hace 4.500 millones de años, una 'ube Primordial (A), constituida por H 75%, He y otros elementos (silicatos, metano, amoníaco, vapor de agua) 25% se contrae y rota cada vez más rápido por acción de la gravedad y un cierto momento angular: se forma un enorme disco (B). La mayor parte de la masa se desplaza al centro y forma el PROTOSOL, muy denso y caliente. El espacio exterior se enfría y se condensan 'i, Fe y Silicatos a partir de los cuales se forman los Protoplanetas. (B-C) A medida que se concentra material en los Protoplanetas, el espacio interior se aclara y el Sol los calienta más fuerte. Donde la temperatura era mayor, cerca del Sol, se forman los planetas sólidos más pequeños y pesados: Mercurio, Venus, La Tierra y Marte de cuya atmósfera escapan los gases: hidrógeno. helio, amoniaco y metano. Donde la temperatura era menor, lejos del Sol, se forman los Planetas gaseosos; más grandes y livianos: Júpiter, Saturno, Urano y 'eptuno. (CD)

Figura 8: ORIGEN DEL SISTEMA SOLAR

Hace más de 4.500 millones de años la Nebulosa Primordial comenzó a contraerse por acción de su propia atracción gravitatoria y a rotar cada vez más rápido, al mismo tiempo que continuaba contrayéndose. Con el tiempo se aplanó y formó una masa discoide. La mayor parte del material cósmico se acumuló en el centro, donde la presión era tan elevada que los átomos comenzaron a partirse liberando gran cantidad de energía. Así se formó el

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sol primitivo o protosol, muy caliente y muy denso en el centro del disco en rotación. Buena parte del material de la nebulosa se evaporó, pero lejos del protosol en lugares fríos situados más lejos de la orbita de Marte, con temperaturas de -200°C el discoide contenía los gases más ligeros como Carbono, Amoníaco, Metano, H y He. Contracciones relativamente pequeñas dentro del discoide, parecidas a los remolinos de una corriente, fueron formando ciertos núcleos aislados que más tarde darían lugar a los planetas. La temperatura de la porción interna de la nebulosa disminuyó bastante cuando se formó el protosol y se condensaron sustancias con puntos de fusión elevados como Níquel, Hierro, silicio, calcio, hierro etc que formaron por colisión fragmentos de varios tamaños. La acreción de estos fragmentos en pocos decenios de años formaron los planetas interiores: Mercurio, Venus, La Tierra y Júpiter. Simultáneamente con la formación de estos planetas, la zona interna del sistema solar se aclaró y la radiación solar comenzó a calentar progresivamente su superficie. Simultáneamente los gases más ligeros concentrados más lejos de la órbita de Marte dieron lugar a los planetas gaseosos o Jovianos, más grandes y livianos: Júpiter, Saturno, Urano y 'eptuno. En la Figura 9 se muestra la posición de la tierra girando al rededor del sol junto con los restantes planetas.

Figura 9: LA TIERRA DENTRO DEL SISTEMA SOLAR

EL SOL ES EL CENTRO DEL SISTEMA SOLAR EN ROTACIÓN Y CONCENTRA EL 99,85 DE LA MASA BAJO EL CONTROL DE LA GRAVEDAD CADA PLANETA MANTIENE UNA ÓRBITA ELÍPTICA Y TODOS ELLOS VIAJAN EN LA MISMA DIRECCIÓN LOS PLANOS ORBITALES DE LOS NUEVE PLANETAS SE ENCUENTRAN INCLINADOS EN UN INTERVALO DE 3° CON RESPECTO AL PLANO CORRESPONDIENTE AL ECUADOR SOLAR, EXCEPTO MERCURIO Y PLUTÓN QUE SE INCLINAN 7° Y 17° RESPECTIVAMENTE

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Capitulo 2

EL PLA ETA TIERRA 1 EVOLUCIÓ PREGEOLÓGICA DE LA TIERRA El período pregeológico de la tierra cubre aproximadamente 1000 millones de años durante los cuales ocurrieron varios procesos a partir el momento en que el planeta naciente se separó de una nebulosa que hacía parte del sistema solar hace unos 4500 millones de años. Era mucho más grande que el actual, sujeto todavía a contracción y acreción como consecuencia de colisión de partículas. En este período se conformó un planeta más caliente y más grande que el actual, con una composición algo diferente, el cual evolucionó hasta adquirir una estructura parecida a la que presenta la tierra hoy, con rocas y agua y una temperatura media determinada por la radiación solar. En sus inicios la nebulosa comenzó a contraerse y aumentar su masa, creando un potente campo gravitatorio a su alrededor. Cuando la temperatura interna aumento hasta 2000°C o 3000° C el hidrógeno y el helio, muy livianos, escaparon al espacio cósmico. H. C. Urey estableció los procesos que ocurrieron en la época pregeológica para originar los primeros compuestos químicos con base en la hipotética composición del protoplaneta y principios de termodinámica. De las investigaciones de este científico se puede hacer algunas apreciaciones generales:

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Atmósfera primitiva

Inicialmente el hidrógeno se combinó con nitrógeno y carbono dando lugar respectivamente al Amoníaco (NH3) y Metano (CH4), que conformaban la atmósfera primitiva junto con hidrógeno, helio y cantidades muy pequeñas de oxígeno y carbono.

1.2

Origen de la atmósfera actual

A causa de la elevada temperatura reinante en la atmósfera primitiva provocada por la contracción del protoplaneta, la mayor parte del H y He y otros gases escaparon al espacio cósmico. Se producen entonces cambios muy importantes: (1) El agua, proveniente del interior del planeta expuesta a radiaciones solares, origina hidrógeno que escapa y oxígeno queda retenido; (2) Con suficiente oxígeno, éste ataca al amoníaco residual dando lugar a nitrógeno libre y más agua; y al metano residual dando lugar a anhídrido carbónico y agua. Se conformó entonces la atmósfera actual que tiene más de 99% de nitrógeno y oxígeno, con ínfima cantidad de anhídrido carbónico y vapor de agua.

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1.3

Origen de las capas sólidas de la tierra

En una etapa posterior el oxígeno se combinó con silicio, para formar sílica, la cual a su vez se combinó con los elementos metálicos: calcio, sodio, potasio, magnesio, hierro y aluminio dando lugar a los minerales-silicatos y las rocas que hoy encontramos en la parte sólida externa de la tierra. El hierro por su parte, abundante en el cosmos, dio origen a óxidos y sulfuros, por debajo de 25°C y a hierro metálico por encima de 327°C, este último concentrado en el centro de la tierra junto con el níquel.

1.4

El origen de la hidrosfera

Se debe al agua desprendida de las rocas desde el interior de la tierra y llevada a la superficie por procesos volcánicos; ésta ha aumentado en los tiempos pregeológicos y geológicos, debido al aumento de la profundidad de las cuencas marinas, más que al aumento de la superficie de los océanos. La mayor parte de las sales de los océanos provienen según los científicos del centro de la tierra; y el origen del agua es en parte interno y en parte externo desde la atmósfera.

1.5

Diferenciación geoquímica primaria

Durante el periodo pregeológico, y con ayuda de la fuerza gravitatoria, ocurrió una diferenciación de la materia acumulándose de manera estable los elementos según sus afinidades químicas, temperatura y presión. Por esta razón la estructura de la tierra es en forma de capas concéntricas, con los elementos más densos en su parte más baja y los más ligeros en su parte superior. El origen de la atmósfera y la hidrosfera constituye la culminación de esa diferenciación. Es sabido que en un principio, debido a las altas temperaturas reinantes en el protoplaneta, todos los elementos estaban fundidos o muy cerca de ese estado. Con la pérdida de los gases predominantes hidrógeno y helio, los elementos más abundantes del protoplaneta llegaron a ser el oxigeno, el hierro, el aluminio, el silicio y el magnesio, con cantidades pequeñas de calcio, sodio, potasio, níquel y azufre. Algunos metales se oxidaron y otros como el níquel y parte el hierro, más pesados, se concentraron en el centro de la tierra. Después, parte del hierro y casi todo el magnesio se combinan con el oxígeno y el silicio dando lugar a los minerales del manto, con abundante Fe y Mg, del cual finalmente se segregaron los minerales relativamente más livianos que dieron lugar a la corteza terrestre, con bastante Si y Al , la capa más externa de la tierra.

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CARACTERÍSTICAS

2.1 Dimensiones, Masa y Densidad de la Tierra El achatamiento de la tierra en los polos, o protuberancia ecuatorial, se debe al efecto de la velocidad de rotación: 1600 km/h en el Ecuador y cero en los Polos. (Tabla 1)

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Tabla II: Dimensiones de la Tierra Elementos Dimensiones Radio Ecuatorial Radio Polar Radio Medio Longitud Meridiano Terrestre Longitud del Ecuador Área Superficie Terrestre Volumen de la Tierra _____________________________________________ Masa de la Tierra Densidad media de la Tierra

6.378,16 km 6.356,91 km 6.371,00 km 40.008,548 km 40.0075,704 km 510´083.000 km2 1´083.819,000 km3

5.975 x 1021 toneladas 5. 517 gr / cm3

__________________________________________

2.2 Movimientos de la Tierra 2.2.1

Traslación

La traslación es el movimiento de la tierra, mas exactamente del centro de gravedad del sistema tierra-luna, alrededor del Sol, describiendo una orbita elíptica de muy escasa excentricidad, en uno de cuyos focos esta el Sol. La distancia del sol a la tierra varía de acuerdo a la posición de la elíptica en que se encuentre pero es aproximadamente de 149’675.000 kilómetros y su velocidad media es de 29,6 Km./s. La distancia de máximo alejamiento del sol y la tierras se denomina afelio (1º. de Junio) y la de máximo acortamiento perihelio (1º. de enero). El tiempo que toma la tierra en darle una vuelta completa al sol, en recorrer la orbita es de 365,256 días. Se denomina eclíptica al plano de la orbita terrestre en su movimiento de traslación incluyendo el circulo de intersección de este plano con la esfera celeste. Muestra el camino del movimiento aparente del Sol en el cosmos. El plano del ecuador terrestre y el plano de la eclíptica forman un Angulo de 23º 27’, el mismo que forman los dos ejes respectivos. 2.2.2

Rotación

La tierra gira alrededor de su eje polar en una en dirección anti-horaria. Este proceso tarda un día sideral: aproximadamente 23 horas, 56 minutos. Debido a este movimiento de rotación desde la tierra parece que la esfera celeste estuviera rotando alrededor del eje terrestre, pero muchos experimentos, entre otros el del comportamiento del péndulo de Foucault, demuestran que es la tierra la que gira y su característico ensanchamiento ecuatorial es una consecuencia de su rotación. El movimiento de rotación de la tierra determina la sucesión de los días y las noches.

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2.2.3

Precesiòn y utación

Se denomina presesión a la alteración del movimiento de rotación de la tierra sobre su propio eje, el cual es debido a las atracciones Newtonianas ejercidas por el Sol y la Luna, provocadas por el ensanchamiento del ecuador terrestre. Debido a este fenómeno los semiejes terrestres describen sendos conos con vértice en el centro de la tierra, lo cual provoca una variación gradual en la dirección de la inclinación del eje terrestre respecto de la eclíptica y es la causa que la estrella polar no marcara siempre el polo norte. En los próximos 200 años aproximadamente esta estrella se acercara y se alejara del polo celeste norte, invirtiendo la sucesión de las estaciones entre los dos hemisferios. La nutación, por otro lado, provoca un movimiento oscilatorio de los polos terrestres alrededor de sus posiciones medias, describiendo en el espacio una pequeña elipse. La mutación determina que la inclinación del plano del ecuador terrestre sobre la eclíptica varíe 18’’ cada 18 años 2/3 y que la situación de los trópicos oscile alternativamente alrededor de una posición media, unos 9’’ del lado polar y del lado ecuatorial. En la parte superior de la Figura 10 se aprecia el movimiento de traslación de la Tierra alrededor del sol en el plano de la Eclíptica. . En la parte inferior y como consecuencia del movimiento de precesión el cual se ilustra, el eje de la tierra se desplaza sobre un cono imaginario como si se tratara de un trompo, con un ángulo de 23.5° respecto del eje del cono.

2.3

Campo gravitatorio y variaciones de la fuerza de gravedad

Todo cuerpo que se encuentra sobre la superficie terrestre o cerca de ésta es atraído hacia el centro de la tierra (centro de gravedad) por una fuerza denominada fuerza de gravedad. Esta fuerza varía con la distancia al centro de la tierra, es decir entre más cerca esté el objeto del centro de la tierra, la fuerza con que será atraído será mayor. El campo gravitatorio es entonces el espacio que rodea la tierra donde se manifiesta la atracción. Las leyes de la dinámica afirman que si se aplica una fuerza a una masa, ésta experimenta una aceleración. En el caso de la fuerza de gravedad, la aceleración que toman los cuerpos es de 9,8 m / seg aproximadamente, variando de acuerdo al lugar de la tierra donde se encuentre. En realidad, la fuerza de gravedad es la resultante entre la fuerza de atracción Newtoniana provocada por la masa de la tierra y la fuerza centrífuga debida a la rotación de la tierra. (Figura 11) La fuerza de gravedad varía entonces con la altitud, (menor en las montañas que en los valles); la latitud, (mayor en los polos que en el ecuador); y con la topografía (se tiene en cuenta la manera como afecta el valor de la gravedad las masas próximas dependiendo de las formas del relieve. Figura 12)

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Figura 10 Movimiento de traslación y cono de precesión

Figura 11: Gravedad como vector Figura 12. Las montañas determinan -Fn Fuerza de atracción Newtoniana fuerzas Newtonianas secundarias que provocada por la masa terrestre contrarrestan en parte la fuerza de -Fc Fuerza centrífuga debida a la rotación atracción de la gravedad.

2.4

Campo magnético

La tierra ha creado a su alrededor un campo magnético que hace que ésta se comporte como un gigantesco imán; por eso en cualquier punto de la superficie terrestre una aguja imantada que pueda girar libremente sobre su centro de gravedad, se orienta siempre en una dirección próxima al Norte geográfico. El eje del imán que crea este campo es conocido como eje geomagnético; éste no coincide con el eje geográfico de la tierra ni tampoco pasa por el centro de ésta, y los

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puntos donde el eje geomagnético toca la tierra son los polos magnéticos. La magnitud del campo magnético varía de acuerdo a la posición, siendo máximo su valor numérico en los polos magnéticos y mínimo en el plano ecuatorial magnético que es el plano que pasa por el centro de la tierra y es perpendicular al eje geomagnético. Existen mapas con las líneas de magnetismo determinadas que permiten la medición del campo magnético en cualquier punto de la tierra.

2.5 Gradiente Geotérmico La temperatura se incrementa en la tierra con la profundidad. Gradiente Geotérmico: es el aumento de temperatura de 3°C cada 100 m en el interior de la tierra. (Grado Geotérmico = 1° C por cada 33 m.) Si lo supongo constante, en el centro de la tierra temperatura sería de aproximadamente 200.000°C lo que no es cierto; la temperatura allí no supera los 5000° C, es decir que el gradiente geotérmico disminuye con la profundidad. Sus valores pueden ser afectados por factores locales como: 1. La conductividad de las rocas; entre más conductoras habrá mayor el gradiente. 2. Las reacciones exotérmicas de las rocas generan calor mientras que las endotérmicas lo absorben. Respectivamente estos dos factores influyen en un incremento o disminución del gradiente geotérmico, respectivamente. 3. Proximidad de rocas en estado de fusión en una zona determinada hacen incrementar notablemente la temperatura y el gradiente. 4. Un similar efecto se produce donde haya altas concentraciones de elementos radiactivos, cuya desintegración desprende gran cantidad de calor. . Actualmente se cree que el calor interno de la tierra es generado por un calor remanente en el principio de la formación de la tierra y por el calor desprendido en las reacciones radiactivas especialmente en el interior de la corteza y el manto.

2.6 Radiactividad y Datación de las Rocas En algunos isótopos los núcleos son inestables porque la fuerza nuclear fuerte no es suficiente para mantener unidos los protones y los neutrones; los núcleos de estos isótopos se desintegran espontáneamente, a una velocidad inmutable, independientemente del ambiente físico y químico (radiactividad). Período de semi-desintegración Tiempo requerido para que se desintegre la mitad de los núcleos de un isótopo radiactivo, es decir que cuando las cantidades de padre e hijo son iguales (proporción 1:1), sabemos que ha trascurrido un período de desintegración. (Figura 14)

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Datación de las rocas Se puede determinar la edad de las rocas con base en este principio, teniendo en cuenta las cantidades de elemento radiactivo y la de su producto estable final que contiene una roca. t = P/ Er (gr) x Vida media (gr) donde, t es la edad de la roca (ma); P cantidad de producto estable final (gr) y Er cantidad de producto radiactivo (gr) (Tabla III)

Figura 14: Cada vez que trascurre un periodo de semi-desintegración, queda la mitad de precursor radiactivo

Tabla III Isótopos más utilizados en Datación Radio métrica Radioisótopo padre Uranio-238 Uranio -235 Torio – 232 Rubidio – 87 Potasio - 40

Radioisótopo hijo Plomo - 206 Plomo - 207 Plomo - 208 Estroncio - 87 Argón - 40

Las rocas más antiguas datadas Meteoritos y rocas de la Luna Rocas de macizos cristalinos de la tierra

Vida media (ma) 4.500 713 14.100 47.000 1.300

4.500 ma 3.500 ma

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2.7 Edad de la tierra La edad de la tierra está dada desde que nuestro planeta tiene masa o volumen parecidos a los actuales. Los geólogos han tratado de determinarla dependiendo del tiempo que tomó la acumulación de los sedimentos que actualmente se conocen, pero los resultados a partir del análisis de este proceso no pueden ser exactos ya que el tiempo para la formación de un sedimento es variable y su espesor pudo haber cambiado a lo largo del tiempo debido a los procesos naturales. Actualmente la edad de las rocas que conforman la tierra se determina teniendo en cuenta la radiactividad de los elementos. Se sabe que un elemento radioactivo se desintegra espontáneamente, independientemente del ambiente químico, y que forma, en un tiempo determinado, un producto estable final. La velocidad de desintegración de un elemento radioactivo se expresa en función de su período de desintegración o vida media, definida como: el tiempo necesario para que dicho elemento reduzca su masa a la mitad por transformación de la otra mitad en elemento estable final. Ejemplo: la mitad de una cierta cantidad de Uranio 238 tarda 4.56 x 109 años (vida media) para que la mitad de esa cantidad, se transforme en Plomo 206. Con base en este tipo de determinaciones se puede determinar la Edad Absoluta de una roca que contiene minerales radiactivos. Se calcula con base en la siguiente expresión: t = P /Er x Pe donde t es la edad absoluta de la roca; P peso en gramos de producto estable final; Pe el período de desintegración y Er cantidad de elemento radioactivo expresado también en gramos.

3. 0 ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓ DE LA TIERRA 3.1 Capas Sólidas y Discontinuidades sísmicas 3.1.1 Las Discontinuidades Sísmicas La tierra posee tres capas relativamente concéntricas: Núcleo, Corteza y Manto, con distinta composición y características, separadas por discontinuidades sísmicas. Estas discontinuidades separan capas de diferente velocidad sísmica, la cual se ha podido determinar mediante investigación sismológica y geofísica, con base en la velocidad de propagación de las Ondas Preliminares (Primarias P y Secundarias S) y las Ondas Superficiales L, originadas en terremotos, y propagadas a través y sobre de las capas de la tierra, respectivamente. De estas ondas las P y S se conocen como ondas de cuerpo, debido a que se propagan en profundidad, a través de los materiales. En la Figura 15 se muestran analogías sobre la manera como propagan las ondas P y S.

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Los cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos se oponen a cambios de volumen cuando se comprimen es decir que se recuperan elásticamente cuando cesan las fuerzas que los deforman. Se sabe que las ondas P son ondas de choque que comprimen y dilatan los

Figura 15: Analogías de propagación de las ondas P y S

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materiales sólidos, líquidos o gaseosos por donde viajan y en consecuencia cambian transitoriamente el volumen del material en que viajan. Además se mueven dos veces más rápido que las ondas S. Su velocidad es de 1,5- 2,5 Km./seg en sedimentos, 3.0 - 3,5 Km./seg en rocas moderadamente densas y 6,2 - 6,7 Km./seg en rocas graníticas y semejantes, de densidad alta, es decir que se propagan a mayor velocidad mientras más rígidos y densos son los materiales por donde viajan. Por su parte las ondas S son ondas de corte que sacuden las partículas a ángulo recto respecto de la dirección en que viajan cambiando transitoriamente la forma del material en el cual se propagan. Dado que los fluidos (gases y líquidos) no responden elásticamente a cambios de forma, estos materiales no trasmiten las ondas S. Tanto las ondas P como las ondas S Ambas se refractan o se reflejan cuando pasan de un medio menos denso a uno más denso. El estudio del comportamiento de las ondas elásticas le ha permitido a los sismólogos descubrir la existencia de discontinuidades sísmicas, es decir, superficies físicas que separan materiales marcadamente más densos en profundidad. (Figuras 16, 17 y 18). Las ondas P y S originadas a causa de un terremoto, son recibidas por sismógrafos situados entre el epicentro E y una distancia correspondiente a 103°. En el arco comprendido entre 103° y 143°, se presenta la Zona de Sombra Sísmica, donde no se reciben ni ondas P ni ondas S y a partir de 143°, solo se reciben las ondas P y éstas gastan más tiempo de lo esperado, debido al retraso que tienen al viajar por el núcleo externo, que se supone líquido.

Figura 16: DISCONTINUIDADES SÍSMICAS Parte superior: Trayectoria de las ondas sísmicas en un planeta hipotético progresivamente más denso en profundidad, pero sin contrastes de densidad. Parte inferior: Trayectoria de las ondas sísmicas en el planeta real, con discontinuidades sísmicas.

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Figura 17: Trayectorias de las Ondas Sísmicas: Incremeto Gradual de densidad en cada capa, Sombra Sísmica, Discontinuidades y Núcleo Externo Líquido

Figura 18: Comportamiento de las ondas P y S y sismógramas

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Las principales discontinuidades sísmicas encontradas a parir de la investigación sísmica son: la Discontinuidad de Mohorovicic (Moho), que separa la corteza del manto a profundidades variables entre 10 y 40 Km según el espesor de la Corteza; y la Discontinuidad de Gutenberg que separa el Manto del Núcleo a 2.900 kilómetros de profundidad. 3.1.2

Composición Química y Densidad

La composición de la tierra no es pues homogénea; es más rica en sílice y aluminio cerca de superficie y hacia la profundidad abundan el hierro, el magnesio y los metales más pesados. Si bien su densidad promedio de la tierra es de 5.517 gr/cm3, ésta se incrementa hacia el interior, de manera gradual dentro de cada capa y bruscamente en las discontinuidades sísmicas. Varía entre 2,8 en la corteza, hasta 13,0 en el interior del núcleo. Las capas de la Tierra poseen materiales diferentes tanto en su composición como en su densidad. En la Figura 19 se muestran dos interpretaciones sobre la estructura de la tierra. La primera interpretación se relaciona con las capas composicionales es decir a los materiales que la constituyen, sin tener en cuenta el comportamiento mecánico de esos materiales, el cual se tiene en cuenta en la segunda interpretación. En este capítulo solo se tiene en cuanta la primera interpretación. NÚCLEO Corresponde a la capa más profunda de la tierra. Conforma el 14% del volumen y el 32% de la masa. Se compone de materiales muy densos con Abundante 'íquel, Hierro y otros metales; constituye el principal factor estructural del campo magnético y su densidad varía entre 10,0 y 13,6.

Figura 19: interpretación química y mecánica de la estructura de la tierra

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La presión en el núcleo es de varios centenares de miles de atmósferas y la temperatura alcanza entre 4000°K y 5000°K. Como el núcleo externo no transmite ondas de corte, se supone líquido. Está separado del manto por la Discontinuidad de Gutenberg, situada a 2.900 Km. de profundidad y el núcleo externo (líquido) está separado del núcleo interno por la Discontinuidad de Wiechert, a 5100 Km. de profundidad. MANTO Corresponde a la capa intermedia. Representa el 83% del volumen y el 65% de la masa y se compone de materiales ultra básicos ricos en Hierro y Magnesio (Olivino y Piroxeno) . Su densidad varía entre 3,3 en superficie y 5,6 en profundidad y la presión en el manto varía entre 9 y 1368 kilobares (1 bar = 1*106 dinas/cm2). El Manto está separado de la Corteza por la Discontinuidad de Mohorovicic, situada 35 a 40 kilómetros por debajo de los continentes o 10 kilómetros por debajo del piso oceánico. CORTEZA Constituye la capa superficial de la tierra y representa el 1% de su volumen. La densidad de la corteza varía entre 2,7 y 2,9 y la presión es de 9 kilobares en la base de esta capa. La corteza terrestre se formó por diferenciación de materiales del manto superior. Está conformada por 3 sub-capas: la sedimentaria-superficial, la más delgada; la graníticaintermedia o corteza continental con cantidad apreciable de Silicio y Aluminio (Sial), más espesa en el continente (15-20 Km.); y la basáltica-inferior con bastante silicio, magnesio y hierro (Sima), llamada también corteza oceánica, dado que el piso de los océanos está constituido por roca basáltica.

3.2 Capas Fluidas 3.2.1 Atmósfera La tierra está rodeada por u na capa continua de 1000 kilómetros de espesor, conformada por una mezcla de gases (aire), con un 78% de Nitrógeno, 21% de Oxígeno, 0.93% de Argón, 0001% de Anhídrido Carbónico y cantidades variables de vapor de agua, conocida como la atmósfera. Esta conformada por varias capas de las cuales es interesante destacar la troposfera y la estratosfera. En la troposfera, entre 8 y 16 kilómetros de espesor (más espesa en el Ecuador), y correspondiente a la parte inferior de la Atmósfera, se generan los fenómenos meteorológicos de interés en geología, como la lluvia, la temperatura y la alteración de las rocas o meteorización. En la Estratosfera que se extiende por encima de la Troposfera hasta unos 50 kilómetros, no hay nubes y su aire es menos denso que el de la Troposfera. Su papel es el de absorber la radiación solar. Allí predomina el ozono originado por la disociación del oxígeno por acción de los rayos ultravioletas, evitando que estos rayos afecten los organismos de la tierra. Presión Atmosférica. La atmósfera ejerce una presión de 1.033 gr/cm2 sobre la superficie de la tierra.

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3.2.2 Hidrosfera Es la capa discontinua de agua en estado sólido (glaciares) o líquido (mares, lagos y ríos), que cubre las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. A través del ciclo hidrológico, el agua cumple un papel múltiple en diferentes procesos geológicos, como la alteración de las rocas, la erosión por las corrientes, los deslizamientos, las avalanchas etc.

3.3 La Biomasa Entre la atmósfera y la litosfera interactúa la biosfera, la cual comprende los organismos y la materia orgánica.

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COMPOSICIÓ QUÍMICA Y MI ERAL DE LA CORTEZA

Los elementos químicos más comunes en la corteza terrestre se indican en la tabla IV de acuerdo a su proporción. Tabla IV Composición química de la tierra

Oxígeno Silicio Aluminio Hierro

46.6% 27.7% 8.1% 5.0%

Calcio Sodio Potasio Magnesio

3,6% 2.8% 2.6% 2.1%

Manganeso Carbono

1.0% 0.1%

Estos elementos se combinan para formar varios tipos de minerales y rocas. Primero los elementos químicos se combina para formar minerales de varias clases: SILICATOS (hidratados y no hidratados), ÓXIDOS, CARBONATOS, SULFATOS Y SULFUROS. Los minerales tiene una composición química definida y una forma cristalina característica. De los cientos de minerales que existen, el Ingeniero debe estar familiarizado con 30 ó 40 de ellos, pertenecientes todos a los grupos citados. Finalmente, los minerales mezclados entre sí dan lugar, mediante procesos complejos, a tres tipos de rocas ÍGNEAS, SEDIMENTARIAS Y METAMÓRFICAS. Como en el caso de los minerales, de la inmensa variedad de rocas que existen de estos grupos no más de 40 ó 50 tipos son de interés en ingeniería.

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Capítulo 3 LA TIERRA DI ÁMICA 1 LA DERIVA CO TI E TAL En 1912 el geofísico alemán Alfred Wegener enuncio la teoría de la Deriva Continental según la cual los continentes hace mucho tiempo conformaban un supercontinente llamado el Pangea, el cual se fragmentó en pedazos que se desplazaron hasta ocupar la posición de tienen en la actualidad. En apoyo a esta teoría presentó algunos argumentos y pruebas geológicas, sin explicar de manera satisfactoria las causas de la fragmentación y su posterior separación. (Figura 20)

Figura 20: En el Permiano, hace 225 millones de años, los continentes formaban una sola masa llamada Pangea, rodeada del mar Tethys. Posteriormente esta masa se fragmentó en varios pedazos originándose así los continertes que conocemos, los cuales se desplazaron a través del tiempo geológico como se sugiere en esta figura, hasta su posición actual. Éstos se siguen desplazando algunos centímetros por año; los océanos Atlántico e Índico están en expansión y el Pacífico, vestigio del mar Tethys, se está cerrando.

Hoy día esta teoría es aceptada por el común de los científicos con base en sólidos argumentos litológicos, paleontológicos y físicos, estos últimos relacionados con el ajuste geográfico de los continentes con base en la geometría de las profundidades medias de los taludes continentales y en la teoría de la expansión de los océanos. (Figura 21)

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2 TEORÍA DE LA TECTÓ ICA DE PLACAS 2.1 Introducción Tan como se describió en el capítulo 2, los términos Corteza, Manto y Núcleo están relacionados con la composición de la tierra independientemente de las propiedades mecánicas de las rocas. Aplicando criterios de elasticidad y rigidez, el conjunto del manto y la corteza se puede subdividir en tres capas: Litósfera, Astenósfera y Mesosfera.

Figura 21 reagrupando los continentes es evidente la continuidad de corredores que muestran coincidencias de flora y fauna a través de toda la historia de la tierra, como una prueba de que antes estuvieron unidos

- Litosfera (esfera dura) comprende la corteza y el manto superior; está constituida por materiales rígidos y su espesor es de 150 Km. en los continentes y 70 Km. en los océanos. Está fragmentada en bloques, conocidos como placas tectónicas.

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- Astenósfera (esfera blanda) se sitúa debajo de la Litosfera y constituye una capa plástica o viscosa sobre la cual flotan y se desplazan lateralmente las placas tectónicas. Llega a una profundidad de 600 a 800 Km. - Mesosfera Capa situada debajo de la astenosfera, constituida por materiales rígidos. En el esquema sin escala la Figura 22 se aprecia la estructura de la tierra descrita tanto composicional como mecánicamente. En cuanto al aspecto composicional: la Corteza, capa más externa, es rígida y muy delgada comparada con el Manto y el Núcleo. Debajo de los océanos es delgada (10 kilómetros en promedio); su espesor es relativamente uniforme y es de constitución basáltica; en los continentes es más gruesa, su espesor es variable, con un promedio de 30 kilómetros y cerca de 100 kilómetros por debajo de las grandes cordilleras y en la parte externa es de constitución granítica. La corteza en toda su extensión es muy frágil y por eso está fragmentada en pedazos. Debajo de la Corteza está el Manto, separadas estas dos capas por la discontinuidad sísmica de Mohorovicic. El manto tiene un espesor algo menor a 2900 kilómetros; es más denso y más caliente que la corteza, debido al incremento de profundidad. Posee mayor cantidad de hierro, magnesio y calcio. En el centro de la tierra se encuentra el Núcleo, separado del Manto por la discontinuidad sísmica de Gutemberg. Su espesor total es de 3478 kilómetros y se encuentra en estado líquido en su parte externa. Posee una densidad dos veces mayor que el Manto debido a su composición metálica con predominio de níquel y hierro. Cuando la tierra rota, la capa líquida del núcleo gira, y crea el campo magnético de la tierra. En la parte inferior izquierda de la Figura 22se representan a escala las cuatro capas básicas de la tierra: Corteza, Manto, Núcleo Externo y Núcleo Interno.

Figura 22: Se aprecia la reagrupación de la Corteza y el Manto, en Litosfera, (“esfera dura”),

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En relación con el aspecto mecánico: la Litósfera está formada por la Corteza y el Manto Superior; La Astenosfera (“esfera blanda”), por el Manto Intermedio y Mesosfera, corresponde al Manto inferior. La parte superior del Manto es más frío y más rígido que el Manto más profundo y se comporta de manera muy parecida a la Corteza. Junto con ella forman la Litosfera que es más delgada debajo de los océanos y volcánicamente activa en las áreas continentales o muy cerca de sus fronteras. En un promedio de 80 kilómetros de espesor en toda la superficie de la tierra la Litosfera se ha quebrado hacia la profundidad formando placas en las zonas oceánicas y continentales de toda la tierra. Se cree que por debajo de la Litosfera existe una capa móvil que también hace parte del manto llamada Astenosfera (del griego: esfera débil), compuesta de un material muy caliente y semi-sólido, el cual puede ablandarse y fluir, cuando se somete a altas temperaturas y presiones a través del tiempo geológico. De esta manera la Litosfera flota o se mueve sobre la Astenosfera. En la Figura 23 se muestra un esquema detallado de la litosfera y la Astenosfera. Se destaca la presencia de una capa de 150 km de espesor, identificada como capa de baja velocidad (color rojo) que está parcialmente fundida y que se comporta de manera viscosa, debido a que el incremento de presión y temperatura, rebajan el punto de fusión y las rocas se encuentran próximas a su punto de fusión. Por debajo de este canal de baja velocidad persiste la misma tendencia, pero la roca esta cada vez menos viscosa hasta una profundidad de 660 km donde se localiza la mesosfera, nuevamente rígida.

Figura 23: Astenosfera y canal de baja velocidad

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Según la Teoría de la Tectónica de Placas, los continentes constituyen trozos rígidos de Litósfera que flotan en la Astenosfera y se mueven chocando, o traslapando entre si; alejándose unos de otros o friccionando mutuamente. La interacción de estas placas y los fenómenos asociados, permiten comprender mejor la composición, estructura y dinámica de la corteza terrestre. Las fronteras entre las placas constituyen corredores definidos donde las rocas están más deformadas y fracturadas y donde se concentra la actividad volcánica, así como la actividad tectónica y sísmica.

2.2 Dinámica de las Áreas Oceánicas 2.2.1

Dorsales Oceánicas

Estudios del fondo marino en el Océano Atlántico han permitido establecer la presencia de una cordillera compuesta de material basáltico en el fondo del mismo, relativamente equidistante de las márgenes continentales. Esta cordillera denominada Dorsal MediaAtlántica, presenta en el centro una gran fosa tectónica (rift) de varios kilómetros de ancho, la cual presenta características muy especiales: 1) Allí no hay sedimentos 2) En la fosa tectónica se presenta elevado flujo de calor proveniente del manto y emana material volcánico básico, el cual escurre en ambos lados de la dorsal, conformando el piso oceánico. 3) Las dorsales están dislocadas transversalmente (fallas de transformación); en estas fallas se genera intensa actividad sísmica, responsable de la mayor parte e los terremotos que ocurren en el océano Atlántico y en el Océano Índico. 4) A lo largo de la dorsal ocurre fuerte actividad volcánica, de carácter predominantemente básico que ha llegado a formar cordones de islas como Islandia y las Azores. 5) Las fosas de las dorsales constituyen zonas de expansión donde se originaron el océano Atlántico e Indico. La formación de una cuenca oceánica a partir de la expansión a partir de una dorsal ocurre de la manera siguiente: Inicialmente se forman dos bloques a partir de una gran fractura a través de la cual sale roca fundida de composición básica proveniente del manto superior (embrión de la dorsal); los dos bloques comienzan a separarse y en la dorsal se forma una estructura deprimida que corresponde a la fosa tectónica o rift de la dorsal, la cual separa los do bloques que comienzan a desplazarse lateralmente según indican las flechas. En la medida que los bloques se van separando el fondo de la fosa tectónica se va llenando de roca fundida procedente del manto que progresivamente se consolida; un poco después el vacío que se origina en la fosa se va llenando de agua, inicialmente de origen volcánico, iniciándose así la formación de un nuevo océano. Los bloques se siguen separando y se va formando de manera progresiva la placa oceánica, que corresponde a la roca basáltica del fondo oceánico.

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2.2.2 Fosas Abisales La roca que se adicionó a la tierra desde la dorsal es reabsorbida en los bordes oceánicos, en sitios conocidos como Fosas Abisales2. Allí la corteza oceánica con mayor densidad, se hunde por debajo de la corteza continental y a una cierta profundidad donde la temperatura es suficientemente alta, se funde, de tal manera que la corteza oceánica es reabsorbida en ese punto por el manto. La parte de la corteza que se hunde bajo la corteza se inclina un cierto ángulo estableciéndose así la zona de Benioff donde se origina la actividad sísmica asociada a las fosas abisales En estas fosas se depositan sedimentos que posteriormente van a originar montañas (cordilleras) y actividad volcánica, tal como se explica más adelante. De momento cabe satisfacer una pregunta. ¿Dónde y cómo se originan las fuerzas tectónicas que deforman y fracturan las rocas; crean montañas; origina las fallas geológicas y los terremotos y permiten la formación y actividad de los volcanes ? El origen de estas fuerzas se basa en la teoría de las Corrientes de Convección. Según esta teoría la roca casi fundida y blanda que conforma el manto superior que infrayace las placas litosféricas fluye circularmente, de manera algo similar a un líquido espeso en un recipiente de cristal que se calienta hasta que alcance el estado de ebullición. (Figura 24) Por debajo de las dorsales se presenta un punto caliente que hace hervir la parte viscosa del manto (astenosfera); el líquido hervido alcanza la superficie donde se enfría y se desplaza hacia las zonas de subducción comparativamente mas frías; allí se hunde, vuelve a calentarse y se reanuda el movimiento cíclico que se repite incesantemente. Mientras el flujo convectivo se aprecia fácilmente en el caso del recipiente de cristal, la idea de un proceso semejante que se origina en las entrañas de la tierra es difícil de entender: se sabe que el movimiento convectivo del material de la astenosfera es apreciablemente más lento y no resuelve del todo algunos interrogantes. De todas maneras se cree que las corrientes de convección impulsan el piso oceánico en la dirección en que actúan las corrientes de convección.

Figura 24: analogía que ilustra las corrientes de convección. Estas corrientes empujan las placas de litosfera separándolas en las dorsales oceánicas y provocando la reabsorción de roca oceánica donde se enfrentan.

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Fosas Abisales: depresiones profundas y estrechas en los bordes de algunos continentes, asociadas a las zonas reabsorción.

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En el conjunto de esquemas de la Figura 25 se ilustra la manera como se originó el Océanos Atlántico y el Océano Indico a partir de las correspondientes dorsales.

Primero se forma una fractura o rift en la corteza (verde) por la cual comienza a salir roca fundida tipo basalto desde el manto (oscuro) La emisión de roca fundida causa una progresiva separación de los bloques delimitados por el rift, donde se crea un vacío (océano embrionario) que se va llenando de roca fundida la cual va conformando el piso del nuevo océano: es la corteza oceánica, representada en franjas con diferentes tonos de verde en este esquema. Simultáneamente el océano gana en extensión y profundidad.

En los bordes oceánicos la corteza oceánica más pesada (basáltica) se hunde por debajo de la corteza continental más liviana (granítica) y allí es reabsorbida por el manto al fundir en zonas profundas.

Figura 25 : secuencia de episodios en la formación de un océano como el Atlántico

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Parece que el mar Rojo en el norte de Etiopía constituye un océano en estado embrionario y que el Océano Pacifico, por lo menos parcialmente, se encuentra en un proceso de cierre. En la Figura 26 se aprecia la Dorsal Media – Atlántica. Estructuras semejantes a la dorsal Media-Atlántica se han encontrado el océano Índico y en el Pacífico Sur, de tal manera que se ha formado una cadena montañosa submarina de casi 50.000 kilómetros de longitud. En la Figura 27 de muestran las fosas abisales asociadas al cinturón circumpacìfico: 1) En sus proximidades se localiza la mayor parte de los terremotos de foco intermedio (entre 70 y 300 kilómetros de profundidad) y profundo ( (algo más de 700 kilómetros de profundidad) 2) En las fosas se han detectado fuertes anomalías negativas de la gravedad que suponen un defecto de masa. 3) Como se indicó anteriormente, a lo largo de estas fosas, en la zona oceánica o continental, se presenta actividad volcánica explosiva. 4) En relación con su origen, las Fosas Abisales no son de origen erosivo. Constituyen zonas de subducción, así llamadas, en razón de que allí la corteza oceánica es reabsorbida por el Manto.

Figura 26: dorsal media Atlántica

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Figura 27: Localización de las Fosas abisales, arcos volcánicos y fuentes de terremotos profundos en el Cinturón Circumpacífico

2.2.2 Dinámica de las Áreas Ccontinentales Las áreas continentales están formadas por corteza continental, con 3 capas: capa sedimentaria, muy delgada y discontinua; capa granítica la más gruesa y capa basáltica en el fondo. Morfológicamente se destacan tres regiones en el Área continental: Plataformas: regiones planas de relieve medio reducidas por denudación3; Cratones: zonas tectónicamente tranquilas y de gran extensión. En realidad se trata de las partes más antiguas de las plataformas y se les conoce también como escudos. Están conformadas por rocas cristalinas del período Precambriano (3000 millones de años y más), cubiertas en algunas regiones por rocas sedimentarias no deformadas, menos antiguas del Paleozoico y Mesozoico. En la Figura 28 se aprecia la distribución geográfica de los escudos y las plataformas continentales, que representan las zonas más antiguas y estables de la tierra. Es de particular interés para nosotros el escudo Brasilero, situado al oriente del los Andes; Orógenos o cinturones orogénicos: zonas estrechas y alargadas, solevantadas, muy

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Término usado para referirse colectivamente a la erosión y la remoción en masa, sin distinguirlas entre si

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deformadas y tectónicamente activas. Se les denomina también cordilleras de plegamiento y corresponden a las grandes cordilleras como los Andes, en Sudamérica; las montañas rocosas, en Norteamérica y varias cordilleras como Los Alpes, en Europa occidental; o el Everest, la mayor expresión topográfica del mundo, en la India. En la Figura 29 se muestra la distribución de los cinturones orogénicos, que se destacan como las zonas tectónicamente mas activas de la tierra.

Figura 28 Distribución de los escudos precámbricos (marrón oscuro) y las plataformas continentales (marrón claro). Obsérvese el escudo Brasilero en Sudamérica.

Figura 29: Distribución de los cinturones orogénicos. El cinturón Circumpacífico comprende la Cordillera de los Andes en Sudamérica y la Montañas Rocosas en Norteamérica; un conjunto de islas (arcos insulares) dispuestas paralelamente a la costa Asiática, es decir que allí las cordilleras están en procesos de formación. La Mesogea comprende el otro cinturón orogénico, transversal respecto del Circumpacífico; comprende los sistemas montañosos del sur de Europa (Pirineos, Alpes, Cárpatos); norte de Africa (Atlas) y sur de Asia (Himalaya, Pamir etc)

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En la Figura 30 se presenta un corte esquemático del océano Atlántico con su dorsal, la placa Suramericana con el sistema de Los Andes en la parte occidental (erógeno) y el escudo Brasilero (cratón). En la parte izquierda de la misma figura se observa la zona de subducción, donde la corteza Oceánica se hunde por debajo de la placa Suramericana conformando un plano que se llama Superficie de Benioff, en el cual se originan frecuentes y numerosos sismos en el borde del Pacífico que afectan a Colombia, Perú y Chile principalmente. 2.2.2

Interacción de la Placas Tectónicas

Las placas tectónicas, de origen oceánico o continental, interactúa de tres maneras diferente, con efectos distintos. Se mueven muy lentamente todo el tiempo (muy pocos centímetros por año), y la mayor parte de su deformación ocurre en sus límites, donde interactúan unas con otras. Existen así tres tipos de borde de Placa. (Figura 31)

Figura 30: Dorsal media Atlántica con el orógeno Andino y su cratón adyacente. Obsérvese la zona de subducción y superficie de Benioff en la parte izquierda de la figura y los tipos de roca diferentes: basáltica (color negro) en el área oceánica y granítica (marrón) en el área continental

2.2.3.1 ZO AS DE EXPA SIÓ

Corresponden a zonas con borde de placa divergente. Las dorsales oceánicas constituyen bordes de placas en expansión, es decir, allí las placas se separan, y se origina litósfera oceánica debido al ascenso de material fundido desde el manto superior (Astenosfera). Se forman rocas básicas (basálticas) que conforman el piso del mar y se presenta intensa actividad volcánica submarina que da lugar a cordones de islas. El fondo oceánico se expande a una velocidad promedio de 5 cm/año y las dorsales oceánicas se extienden cerca de 70.000 km en el fondo de los océanos. Tal como se explicó en 2.2.1 en las dorsales están dislocadas por fallas y allí se genera gran actividad sismo-tectónica y volcánica.

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2.2.3.2 ZONAS DE SUBDUCCIÓN

Corresponden a placas con borde de placa convergente. En este caso las dos placas se juntan y se provoca subducción: una placa se hunde debajo de la otra y se presenta reabsorción de litósfera en el mato. En este caso las placas pueden interactuar de 3 maneras: convergencia océano–continente, con hundimiento de la placa oceánica, más densa (basáltica) por debajo de la placa continental, más liviana (granítica), creando zonas de reabsorción y originando gran actividad sismo-teutónica y volcánica, como en la zona Circumpacífica. A medida que la placa oceánica desciende, parte de los materiales involucrados en el proceso (de origen continental u oceánico), se adosan al al continente. En la zona asociada a la superficie de Benioff se localizan los hipocentros de los sismos más profundos. Se localizan además las zonas de subsidencia (hundimiento de origen no gravitacional) donde se formas cuencas sedimentarias a partir de las cuales se originan diferentes tipos de rocas, principalmente sedimentarias, las cordilleras de plegamiento y las fallas geológicas, según se describe más adelante. Convergencia océano–océano, con hundimiento de la placa mas pesada debajo de la otra: se forman volcanes en el fondo del océano, algunos de los cuales emergen formando arcos de islas. (Pacifico occidental); y convergencia continente–continente que origina una fuerte colisión: un choque de este tipo origino el Himalaya. 2.2.3.3 ZONAS DE TRANSFORMACIÓN

Corresponde a bordes pasivos donde no se origina ni se destruye litósfera. Se presentan en las Fallas de desplazamiento horizontal conocidas como fallas Transformación de las dorsales (los desplazamientos origina cambios en la dirección de la dorsal como es evidente en la dorsal Media Atlántica) donde las placas se deslizan entre si, originando intensa actividad sísmica. La mayoría de las fallas de transformación se localizan dentro de las cuencas oceánicas; sin embargo algunas fallas de es tipo como la falla de San Andrés, que ha causado tantos problemas en California (USA), atraviesa corteza continental.

Figura 31: Tipos de borde de placa. Parte superior, de izquierda a derecha: placa transformante, divergente y convergente. Los rift constituyen zonas de ascenso de maga o puntos calientes.

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La Figura 32 muestra un mapa digital elaborado por la Nasa que muestra la actividad tectónica de la tierra. Es posible observar en ese mapa los límites de las placas tectónicas, la ubicación de las dorsales y fosas abisales, los grandes corredores de fallas y las zonas de actividad volcánica reciente importante.

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GEOSI CLI ALES Y OROGÉ ESIS

Las montañas de plegamiento se forman a partir de la acumulación de sedimentos en Geosinclinales. Estas estructuras están asociadas a las zonas de subducción y constituyen cuencas marinas alargadas y estrechas localizadas por lo general en los bordes de los continentes, sujetas a subsidencia4 Se da el nombre de orogénesis al conjunto de procesos que tienen lugar en los Geosinclinales y que origina una cordillera en un proceso evolutivo que considera 3 etapas o períodos: 1. Sedimentación: acumulación de sedimentos en cuencas llamadas geosinclinales (cerca de 1 millón de años) 2. Plegamiento: en este período las capas sedimentarias se deforman por fuerzas tectónicas orogénicas, en pulsos sucesivos (fases orogénicas), dando lugar propiamente a la cordillera (30-50 m a) 3. Erosión: la cordillera es arrasada por denudación en un tiempo relativamente corto. Hasta hoy se han reconocido 3 ciclos orogénicos: Caledónico y Varístico, que se desarrollaron en sus 3 períodos; y Alpino que está aún en desarrollo. Dentro de este último ciclo se formaron las montañas de los Alpes y el Himalaya en Europa y Asia, y las Montañas Rocosas y los Andes, en América.

Figura 32 Actividad Tectónica de la tierra

La formación y evolución de un geosinclinal se puede observar en la sucesión de esquemas 1 a 4 de la Figura 33. Abarca una sucesión compleja de fenómenos sedimentarios, magmáticos y orogénicos que comprende las siguientes etapas. 4

En estas depresiones se presenta hundimiento progresivo que no es debido al peso de los sedimentos.

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Etapa de hundimiento o subsidencia del geosinclinal e intensa sedimentación con emisiones de carácter básico procedentes del manto y que se conoce con el nombre de vulcanismo preorogénico

Compresión y plegamiento de las capas sedimentarias con la aparición de un cordón de islas que corresponde al embrión de la cordillera. El cordón de Islas separa 2 dominios: dominio miogeosinclinal, entre las islas y el continente , y dominio eugeosinclinal, en la parte externa. La formación de estas montañas se acompaña de emisión de lavas básicas.

Continúa la sedimentación y la deformación; la cordillera se vuelve más extensa y elevada. Se inicia la erosión y los sedimentos más profundos sufren metamorfismo o funden, según la rofundidad. El material fundido origina vulcanismo sinorogénico ácido cde carácter explosivo. Se acentuan la deformación y el plegamiento

Emerge completamente la nueva cordillera que ocupa totalmente el dominio miogeosinclinal con materiales magmáticos y metamórficos en la zona central. En esta etapa hay algo de distensión que da lugar a fallas y fracturas a través de las cuales se presentan las últimas emisiones conocidas como volcanismo postorogénico.

Figura 33: etapas 1 (figura superior) a 4 (figura inferior) en la evolución de un geosinclinal.

En la Figura 34 se presenta un esquema con la localización de las áreas continentales (marrón oscuro) y las áreas oceánicas (azul) La corteza oceánica se origina en las dorsales y se destruye en las zonas de subducción, donde la corteza oceánica se hunde por debajo de la corteza continental formando las superficie de Benioff donde se localizan los epicentros de terremotos de origen profundo (puntos negros)

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Figura 34 Esquema mostrando áreas continentales y oceánicas

4 ISOTACIA En 1840 Sir George Everest estableció mediante cálculos astronómicos que las ciudades de Kaliapur y Karliana están situadas 150 metros más cerca de lo que se puede determinar utilizando triangulación, diferencia que atribuyó al efecto de la mayor deflexión de la plomada en Kaliana que está situada muy cerca del Himalaya. Más tarde J. H. Prat calculó el error de la distancia medida por Everest con base en el cálculo de la masa del Himalaya y su sorpresa fue muy grande cuando descubrió que el error debido a la influencia de las montañas era 3 veces menor que el esperado, debido según se pensó inicialmente a un defecto de masa. (Figura 35). G. Airy sugirió entonces que las rocas de la corteza terrestre, más ligeras, flotan sobre el manto más plástico y denso; y que la corteza debe ser más gruesa debajo de las montañas que debajo de las tierras bajas adyacentes, de tal manera que las montañas tiene raíces de roca ligera que soportan su paso en profundidad, al igual que bloques de madera de diferente grosor flotan en el agua, hundiéndose más entre más gruesos son. Si el Himalaya no tuviera raíces corticales como las descritas, la atracción gravitatoria calculada por Prat habría sido exacta. La existencia de esas raíces corticales por debajo de las montañas ha sido comprobada mediante estudios sismológicos y gravitacionales, es decir que la corteza es pude llegar tener hasta 70 km de espesor debajo de las grandes montañas cuando el promedio es de solo 35 a 40 kilómetros. Ese tipo de equilibrio gravitacional que explica la flotación de las montañas por encima de un cierto nivel de compensación en las raíces de las montañas se conoce como isostasia. Las rocas de la Corteza terrestre no solamente mantienen en estado de equilibrio por encima de ese nivel de compensación, sino que se ajustan a las cargas y descargas, hundiéndose y ascendiendo, respectivamente. (efectos glaciares, erosión)

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La teoría de la Isostacia sostiene que los alzamientos y hundimientos continuos que afectan a corteza como respuesta a la fuerza de la gravedad, tienden a mantener un balance o equilibrio gravitacional en todo el sistema. (Figura 36)

Figura 35 cálculos astronómicos en las raíces de las montañas

El concepto de isostacia es fundamental para estudiar los rasgos mayores de la corteza, como son los continentes, las cuencas oceánicas y las cadenas de montañas y por consiguiente, para comprender la respuesta de la corteza a la erosión, sedimentación y glaciación. Esto significa que el ajuste isostático está involucrado en casi todos los procesos exógenos.

Figura 36 Equilibrio isostático

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5 PROCESOS GEOLÓGICOS En su interior, la tierra está sometida a fuerzas llamadas endógenas, las cuales están constantemente creando relieve a través de dos procesos: el Diastrofismo y el Vulcanismo. En su exterior el relieve es modificado constantemente mediante el proceso de Gradación, que tienden a nivelar el relieve. En este último proceso intervienen fuerzas llamadas exógenas, que actúan entonces de forma antagónica a las endógenas.

5.1 Procesos Endógenos Los geólogos han descubierto evidencias de que las rocas se deforman: se ven capas plegadas de rocas sedimentarias y muchos rasgos físicos de esfuerzos. En la historia humana se han registrado este tipo de cambios en todas partes del mundo. Se les denomina procesos endógenos debido a que las fuerzas que los originan son de origen interno. Se sabe que en el terremoto de San Francisco, ocurrido en California en 1906, las rocas se desplazaron 4 a 6 metros en sentido horizontal. Hoy se miden desplazamientos similares en todas partes en situaciones similares y se ha podido establecer que las placas tectónicas se mueven unos cuantos centímetros por año en varias direcciones. Asociados a estas deformaciones y roturas los geólogos describen las deformaciones como pliegues y zonas de esfuerzos; las roturas como diaclasas y fallas y las inconformidades estructurales como discordancias. A los procesos que forman las montañas se les llama orogénicos, y a las fuerzas que acompañan estos procesos: fuerzas orogénicas, las cuales son predominantemente horizontales.Los geólogos reconocen entre otros, dos tipos de montañas: las montañas de plegamiento y las montañas volcánicas. Las primeras formadas a partir de sedimentos acumulados en mares y lagos, que se litifican (endurecen) y se deforman, y las segundas originadas a partir de erupciones de lava y piroclastos. En el interior de la tierra actúan también fuerzas llamadas epirogenénicas, las cuales son esencialmente verticales. Estas fuerzas son gravitacionales, producen poca deformación y se asocian más que todo a la isostasia. La energía necesaria para que ocurran los procesos endógenos proviene del interior de la tierra: calor relicto, mecánico y radiactivo, que se transfiere por conducción y convección.

5.2 Procesos Exógenos Estos procesos actúan en el exterior de la tierra y se deben a fuerzas que operan en ese nivel. Como ya se expresó modelan el relieve. Se integran en la Gradación la cual comprende tres procesos: Meteorización, Erosión y Remoción en Masa Meteorización: En el nivel de la atmósfera, las rocas se desintegran mecánicamente o se descomponen químicamente por su exposición a los agentes climáticos (temperatura, humedad, oxígeno, anhídrido carbónico) y orgánicos (ácidos). A los productos de la desintegración y descomposición de las rocas conservados que permanecen “in situ”, se les llama suelos residuales

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Erosión: el agua, el viento y el hielo (agentes de trasporte en el proceso de erosión), desalojan los materiales inconsolidados (en estado suelto) producidos por la meteorización; los acarrean y los acumulan sobre el continente o en el fondo de mares y lagos. Sobre el continente forman los Suelos Trasportados y en el fondo de mares y lagos originan sedimentos, los cuales se consolidan más tarde (litifican) para formar después rocas Sedimentarias. Remoción en masa: Esta denominación abarca un conjunto de procesos mediante los cuales los materiales expuestos en la parte más externa de la superficie de la tierra, de cualquier tipo que sean (rocas duras, rocas blandas, suelos transportados o residuales etc), se desplazan debido a las fuerzas de gravedad. Algunas precisiones de terminología El término erosión se ha venido utilizando con muchos significados por diferentes personas. Los geógrafos y algunos geomorfólogos lo emplean para referirse indistintamente a erosión o remoción en masa, en un sentido diferente al que se explica en estas notas. Sin embargo debe tenerse en cuenta que la erosión contempla un agente de transporte y solo el agua, el viento y el hielo son considerados en geología como tales. Haciendo precisión: mediante la erosión los materiales más sueltos de la superficie de la tierra son desalojados y acarreados por los agentes de transporte, en tanto que en la remoción en masa, los materiales se desplazan debido a la gravedad, que es una fuerza direccional y nó un agente físico como lo son el agua, el viento y el hielo. La gravedad también interviene conjuntamente con el agua, el viento y el hielo, como una fuerza selectiva y direccional. Además, muchos ingenieros de suelos identifican a la remoción en masa con los deslizamientos lo cual ha originados muchas dificultades para entender estos procesos. En realidad los deslizamientos constituyen un tipo muy particular dentro de los procesos de remoción en masa.

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LOS PELIGROS ATURALES

Esta denominación abarca los peligros debidos al desarrollo normal de los procesos geológicos, con o sin influencia de las actividades humanas y aquellos peligros originados en actividades humanas.

6.1 Los procesos geológicos y los peligros de origen natural En la Tabla V se compendian los procesos geológicos considerando los efectos geomorfológicos y los peligros naturales. Solo se toman en cuenta los agentes naturales, es decir, no se consideran las actividades humanas.

6.2 Las actividades humanas y los peligros naturales En la Tabla VI se destacan los impactos antropogénicos desfavorables sobre la vegetación, el suelo, el agua, la atmósfera y el relieve. Es conveniente observar que muchos de los impactos mencionados en esta figura, se dan también por causas naturales.

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Tabla V: PROCESOS GEOLÓGICOS Y PELIGROS

ATURALES

Procesos geológicos

Efectos en el relieve

Endógenos

Creación de relieve

Diastrofismo

Montañas de Plegamiento, fallas geológicas

•

Terremotos y maremotos

Vulcanismo

Montañas volcánicas

•

Caída de piroclastos, flujos de lava y lahares

Exógenos

Modelación del relieve

•

Cárcava y deslave, Socavación por corrientes, sedimentación, inundaciones.

•

Reptación, Deslizamientos, flujos extensos, desprendimientos

•

Borrascas, Huracanes, ciclones, heladas, olas de calor, incendios forestales.

Meteorización

Formación de Suelos residuales

Erosión

Formación de valles, planicies y otras geoformas

Peligros aturales

Formación de suelos transportados y depósitos de gravedad Remoción en Masa

Fenómenos Atmosféricos

Ocurrencia de Movimientos gravitacionales

Lluvia, viento, temperatura

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Tabla VI: CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS IMPACTOS ANTROPOGÉNICOS DESFAVORABLES COMPONENTES AFECTADOS DESCRIPCIÓN GENERAL

VEGETACIÓN

La vegetación cumple un papel fundamental de cobertura natural que protege el suelo de muchas formas. Los cambios en el uso y manejo del suelo y de las coberturas naturales producen modificaciones nocivas que afectan principalmente el clima, el equilibio morfodinámico y en alguna forma pueden afectar la calidad del agua.

SUELO

AGUA

IMPACTOS ESPECÍFICOS

• • • •


El suelo es un producto de muchos factores y sus propiedades dependen de la región climática, la biota, la topografía, el material parental y el tiempo requerido para su formación.

• • • •

Muchos efectos de las actividades humanas sobre el suelo son nocivas.

• • • •

El agua constituye un recurso muy valioso para el hombre como alimento, en la industria, en los cultivos y de muchas otras formas.

•

La cantidad y la calidad del agua se ha venido menguando de muchas formas.

• • • •

• • •

Incendios forestales provocados por el hombre Deforestación no controlada Sobrepastoreo Cambios en el uso y manejo de la vegetación: pastos y cultivos limpios. Bosque secundario.

Salinización Laterización Podzolización o acidificación Alteración degradante de la estructura del suelo Impacto negativo del drenaje del suelo Efectos nocivos de la fertilización Pérdida de Suelo Erosión, deslizamientos y flujos de origen natural. Deliberada modificación de los cursos de agua por canalizaciones, regadíos, presas etc) Cambios en la cantidad y calidad del agua por deforestación Impacto humano que produce cambios en el nivel de los lagos Cambios en las condiciones del agua subterránea debidos a acción humana. Polución general del agua producida por ejemplo por agentes infecciosos, substancias químicas nocivas, turbidez, substancias radiactivas. Polución química por actividades agrícolas Efectos de la deforestación sobre la calidad del agua Polución por sedimentos suspendidos

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Tabla VI CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS IMPACTOS ANTROPOGÉNICOS DESFAVORABLES (continuación) COMPONENTES AFECTADOS.

DESCRIPCIÓN GENERAL

IMPACTOS ESPECÍFICOS Ejemplos:

ATMÓSFERA

Corresponde al dominio de la atmósfera donde se generan los factores del clima el tiempo atmosférico y la meteorización.

•

• Se generan también muchos impactos de origen antropogénico.

• •

Intervención de los ciclos climáticos por deterioro de la cuencas. Calentamiento global y efecto invernadero Deterioro de la capa de ozono Polución o contaminación del aire

Ejemplos: El relieve es la expresión dinámica de los procesos geológicos y es afectado por múltiples actividades humanas. La mayor parte de las obras de ingeniería como EVOLUCIÓN DEL la construcción de carreteras, presas, complejos industriales; obras para el desarrollo RELIEVE minero u otras semejantes, inducen cambios muy significativos en las formas originales del terreno, debido a cortes a cielo abierto, grandes depósitos de desechos de minería, rellenos de disposición etc Estas acciones modifican las condiciones originales de drenaje y de estabilidad del terreno de muchas formas, promoviendo erosión deslizamientos, flujos y otros procesos. Los impactos por estos procesos son muy variados y dependen de muchos factores inherentes y externos al terreno.

• •

• • • • • • • • •

Geoformas inestables creadas por excavaciones Geoformas inestables creadas por construcción, incluyendo rellenos de disposición y vertimientos Sedimentación acelerada Meteorización acelerada Inducción de movimientos en masa Subsidencia por minería u otras actividades Surcos y cárvas inducidas Obstrucción de cauces Deliberada modificación de cursos de agua Erosión acelerada de costas Sismicidad y acytividad volcánica generada J. Montero (2007)

7 EL TIEMPO GEOLÓGICO De todos es conocido que el tiempo se suele medir solamente por los acontecimientos que percibimos lo cual no es aplicable al caso de los procesos geológicos. No obstante el geólogo ha establecido fundamentos científicos para lograrlo, si bien la completa comprensión de este tema está fuera del alcance de estas notas. De una manera general se trata de relacionar el tiempo con las rocas. La estrategia es sencilla si bien su aplicación demanda un profundo conocimiento y análisis de la manera como actúan en el presente los procesos geológicos, para luego reconstruir históricamente los acontecimientos del pasado. A partir de la observación cuidadosa de la manera como actúan en el presente los procesos geológicos tales como la erosión, los deslizamientos, la actividad volcánica o la actividad sismo-tectónica, se puede

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inferir cómo y en qué orden se formaron las rocas y los suelos; cómo se formaron las montañas; porqué y cómo las capas deformadas y falladas de las secuencias sedimentarias que yacen cientos o miles de metros por encima del nivel del mar, se originaron en el fondo del mar de igual manera que hoy los ríos llevan sedimentos al océano; explicar porqué y cómo, las masas de granito que se encuentran expuestas a gran altura formando la espina dorsal de las cordilleras y atravesando las secuencias sedimentarias, se originaron a grandes profundidades dentro de la tierra por enfriamiento de una sustancia rocosa fundida conocida como magma. Estos acontecimientos y mucho más, han ocurrido siempre en la historia de la tierra de una manera organizada y mutuamente relacionada de tal manera que solo hace falta establecer el tiempo en que todo esto ocurrió. El geólogo entonces ha ideando algunos métodos y aplica algunos criterios en principio relativamente sencillos: 1. Edad absoluta. Tal como se explica en el capítulo 1, numeral 3, con base en el estudio de la desintegración espontánea de los minerales radiactivos que poseen algunas rocas, se determina la edad, en millones de años, de estas rocas. 2. Edad relativa. En este caso se acude a la paleontología mediante el estudio de los registros fósiles de animales y plantas que habitaron la tierra en el pasado. Estos seres tuvieron su propia evolución y su presencia como fragmentos preservados de esqueletos permite diferenciar rocas de distintas edades tan distanciada en el pasado como lo fueron los individuos que habitaron la tierra en distintas épocas que marcan su cadena evolutiva. En la Figura 37 es posible hacer la reconstrucción histórica de los acontecimientos geológicos que se representan esquemáticamente. Se puede establecer que se presentaron dos episodios sedimentarios: (1) Estratos 1-5 y (2) Estratos 6-12, separados por una intrusión ígnea (I) y fallamiento (F); seguidos por levantamiento y erosión. Se sugiere al estudiante reconstruir históricamente la secuencia de eventos. Se aplican los siguientes criterios: 1. Cualquier estrato de una secuencia sedimentaria es más joven que los que están debajo, y más viejo que los que están encima, suponiendo que la secuencia no está invertida. 2. Los estrato se depositan horizontalmente y luego se pliegan 3. Las rocas cortadas por una intrusión ígnea o una falla son anteriores a la intrusión o a la falla. 4. La erosión afecta rocas que ya se han formado 5. Las rocas sedimentarias que suprayacen (están encima) de la secuencia fallada son posteriores a la falla y evidentemente la falla es posterior a la intrusión. En resumen en el esquema que sigue se registran en su orden los siguientes acontecimientos: 1) Depósito de los estrato 1 a 5 2) Plegamiento de estos estratos e Intrusión ígnea 3) Fallamiento 4) Solevantamiento y erosión 5) Hundimiento y depósito (discordante) de los estratos 6-12 6) Solevantamiento y erosión

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Figura 37: Reconstrucción histórica de procesos geológicos

El reloj del tiempo geológico De esta manera se ha podido reconstruir la historia geológica (cronología de los acontecimientos) en la zona geográfica donde se presentaron. Cómo correlacionar estas rocas y acontecimientos con rocas y acontecimientos que ocurrieron simultáneamente en otras partes de la tierra? Para ello el geólogo ha establecido la escala del tiempo geológico con Eras (Proterozoico, Paleozoico, Mesozoico, y Cenozoico); Períodos (Cambriano a Cuaternario) y Épocas (Berriasiano a Holoceno), tal como se muestra en la Figura 38.

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Figura 38 El tiempo geológico

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