Composición de la Tierra y Sismicidad.

En un post anterior analizamos los terremotos y los tipos de ondas sísmicas producidas. El estudio de las ondas sísmicas ha resultado trascendental a la hora de deducir la composición de la Tierra y las diferentes capas que encontramos en la Tierra cuando estudiamos la Geosfera según su profundidad.

¿Qué ocurre cuando una onda se encuentra con una superficie de discontinuidad, donde las ondas se desplazan con una velocidad distinta? Una onda se descompondrá en dos ondas nuevas, una reflejada y otra reflactada.

La onda que se refleja lo hace con el mismo ángulo que el de incidencia. Es decir, a=θ.

El ángulo de refracción varía. Este ángulo es importante porque depende de la diferencia de velocidad entre ambos medios. Si V1>V2 θ1<θ2entonces . Del mismo modo, si V1>V2 entonces θ1>θ2.

Ángulos de frefracción.

En general se cumple la ley de Senall, que dice que hay una relación entre los ángulos de refracción y las diferencias de velocidades de propagación. La relación se expresa en la siguiente fórmula:

(senθ1)/V1 =(senθ2)/V2

Cuando las ondas viejan por el interior de la Tierra, van encontrando con capas cada vez a mayor profundidad. Al aumentar la profundidad, aumenta la presión y por lo tanto aumenta la densidad y la velocidad de las ondas sísmicas.

Llega un punto, una profundidad, en la que ya no hay refracción, sino solo reflexión debido a que el ángulo θ2 superará los 45°. Debemos tener en cuenta que al aumentar la velocidad aumenta el ángulo. Esto provoca que la trayectoria de las ondas en el interior de la Tierra sea ondulada.

Dirección de ondas por refracción.

El registro en los sismogramas de muchos tiempos de llegada y analizando ondas reflejadas y refractadas nos proporciona una información importante. Se puede comprobar que, cuando se produce un movimiento sísmico, hay estaciones que resgistran la llegada de ondas p y ondas s hasta una distancia de 103° de curvatura de la Tierra. Existe una zona desde los 103° a 143° en los que no se reciben ondas p ni ondas s, una zona de sombra. Y tras esos 143° vuelven a recibirse ondas, pero solo ondas p, es decir, a partir de 143° ya no se reciben ondas s.

Se produce, por lo tanto, una discontinuidad en el interior de la Tierra que hace que, cuando las ondas la atraviesan, se refractan y cambian de trayectoria, se desvían hasta que se encuentran otra vez con la discontinuidad, donde volverán a desviarse y refractarse para llegar de nuevo a la superficie.

Hasta los 103° no existe refracción. A partir de esa posición, las ondas se ven obligadas a atravesar la discontinuidad, variando su trayectoria. Además, las ondas s son incapaces de atravesar la discontinuidad.

Ondas sísmicas y discontinuidades.

Lógicamente, esto ocurre hacia los dos lados del terremoto, con lo que podemos dividir la superficie de la esfera terrestre de la siguiente manera:

Ángulos de sombra en ondas sísmicas.

Se sabe que ese ángulo de 103° se corresponde con ondas que viajan a una profundidad inferior a 2900km. Entre los 103° y los 143° no aparecen ondas y a partir de 143° solo ondas p. Estas ondas p que aparecen después de los 143° tardan mucho más de lo que les correspondería si se tratase de una trayectoria simple.

A partir de estos datos se deduce que hay una importante discontinuidad a estos 2900km, donde las ondas p se refractan y debido al desvío dejan una franja ancha sin registro. En ese medio por el que viajan al atravesar la discontinuidad, la velocidad de las ondas disminuye, es una zona de baja velocidad. Y las ondas s desaparecen y no vuelven a aparecer ni siquiera tras los 143°. Por lo tanto se puede deducir que esa zona por debajo de 2900km es una discontinuidad líquida.

A esta discontinuidad se le denomina discontinuidad de Gutemberg y separa el núcleo del manto.

Otra discontinuidad importante existen en una zona más profunda y separará el núcleo externo del núcleo interno. Se encuentra a unos 5000km de profundidad y señala el paso a una zona ás sólida, ya que a través de ella las ondas p se propagan amás velocidad que por el núcleo externo. E incluso se ven zonas con trazos de ondas s muy débiles.

Ondas sísmicas en profundidad.

Con las ondas s nos encontramos otra particularidad curiosa. A entre 100km y 300km de profundidad sufren una disminución notable. Después aumenta su velocidad de fomra escalonada. Entre 2900km y 5000km no hay ondas s y por debajo de los 5000km solo encontramos trazos de ondas s a velocidades muy bajas. Son una parte de las ondas p que se descomponen en ondas s.

El primer salto es la discontinuidad de Mohorovichi. Esta discontinuidad separa la corteza del terrestre del manto. Se puso de manifiesto gracias a estos estudios de propagación de ondas sísmicas. Un estudio similar de las mismas pondrá de manifiesto el núcleo.

En general, en la superficie encontramos zonas donde llegan ondas directas y lugares donde llegan ondas reflactadas. A partir de un punto que varía de distancia, ya que la discontinuidad de Mohorovichi o Moho tiene profundidades variables, no existen ondas directas y solo aparecen ondas reflactadas.

Como decíamos, esta discontinuidad tiene valores variables según la zona donde nos encontremos. Bajo los océanos se encuentra a unos 10km de profundidad, mientras que bajo los continentes se encuentra a entre 35km y 70km.

A partir de esta discontiunidad, las ondas aumentan bruscamente de velocidad, pasando de 6 a 8km/s. Hay por lo tanto un cambio de composición y empaquetamiento de los materiales, además de un aumento de presión. Sabemos que debe haber un cambio de composición y empaquetamiento porque los cambios de presión deberían provocar solo aumentos de velocidad graduales, no bruscos.

Después de la discontinuidad de Mohorovici, todavía dentro del manto superior, a una profundidad de entre 100km y 200km encontramos la zona de atenuación de ondas s. Debe haber un cambio de estado en los materiales, que pasarán de un estado sólido a un estado más fluido. Se supone que es una zona plástica de fusión parcial. Se denomina astenosfera.

Por debajo acabaremos encontrando el núcleo. Está separado del manto por la discontinuidad de Gutemberg. El núcleo externo es líquido, mientras que el interno es sólido.

Capas de la Tierra.

La corteza terrestre está formada principalmente por silicatos. Hay una zona de corteza superior y una zona de corteza inferior. Bajo los océanos solo encontramos corteza de las características de la corteza inferior y se denomina corteza oceánica. Se trata de una zona de corteza más delgada que la corteza que hay sobre los continentes y que denominamos corteza continental.

Como indicábamos, sobre los continentes puede diferenciarse una corteza superior y una corteza inferior. La superior es rica en silicatos de aluminio, mientras que la inferior es rica en silicatos de hierro y magnesio, más densos. La corteza superior es, por lo tanto, menos densa que la inferior.

A la corteza superior se le denomina SIAL (de la siglas de silicato de aluminio), mientras que la inferior se denomina SIMA (de las siglas de silicato de magnesio). Las rocas que se pueden asimilar a cada una de ellas es el granito en la superior y el basalto en la inferior (sin que esto quiera decir que sean el componente de cada uno de ellos, solo se trata de una analogía).

En cuanto a la composición del manto, se ha demostrado que el manto superior, que forma con la corteza la zona denominada litosfera, posee una composición similar a la roca que denominamos peridotita, muy rica en peridoto también llamado olivino (se trata de un silicato rico en magensio y hierro, muy básico y muy denso). Se ha deducido en los laboratorios, pero hoy en día ya se conoce por purebas directas.

Capas de la Tierra.

En el manto inferior parece que también hay silicatos de hierro y magnesio, pero cambia su empaquetamiento y su estado. Se ha propuesto que los saltos de velocidad escalonados en las ondas sísmicas al pasar por esas zonas se deben a zonas escalonadas con pasos de estado sólido a estado de ligera fusión. Sin embargo esto se trata solo de teorías.

En el núcleo encontramos densidades altísimas, con presiones muy elevadas. Los únicos materiales que pueden cumplir la condición de estar en estado líquido a esa presión y densidad serían las aleaciones de hierro y níquel. Es más importante la cantidad de hierro que la de níquel. Y la roca a la que se asemejarían sería el equivalente a sideritos (meteoritos). Se cree que estos, de hecho, proceden de núcleos de cuerpos planetarios que se han desintegrado.

Esa aleación de hierro y níquel estaría en estado líquido en el núcleo externo y en estado sólido en el núcleo interno. Si la aleación fuese solo de hierro y níuqel, las densidades serían muy superiores a las que sabemos que realmente existen. Se ha especulado con la posibilidad de que contengan pequeñas cantidades de otro elemento, que contribuya a bajar la densidad. Se supone que se trata de azufre. Esta teoría se refuerza por el hecho de la existencia de azufre en los sideritos.

Si reflejamos en una gráfica la presión frente a la temperatura, asociando estos datos al punto de fusión de la aleación de hierro y níquel, se obtiene una gráfica con la siguiente forma:

Ondas sísmicas y fusión de materiales.

Esto nos muestra que hasta una determinada profundidad, el punto de fusión de la aleación está por debajo de la temperatura reinante. Después de una determinada profunidad, se encuentra por encima de la temperatura de esa zona. El punto de corte se encuentra a una profundidad de unos 5000km. Es la separación entre el núcleo externo y el núcleo interno. Por eso, antes de ese punto, la aleación está fundida y por encima, está en estado sólido, ya que al existir más presión, se solidifica más fácilmente. Y así tenemos un núcleo externo líquido y un núcleo interno sólido. La diferencia entre el núcleo externo y el interno es un mero cambio de estado, no un cambio de composición.

Si realizamos una curva de la densidad y la profundidad, se refuerzan algunas de estas afirmaciones. Se puede realizar una curva con las bandas de densidad (se trabaja con bandas por no poder trabajar con valores exactos y concretos, sino con un cierto margen de variación).

Ondas sísmicas y fusión del núcleo.

A 2900km hay un cambio brusco de densidad, un gran salto. Refuerza la idea de la variación en la composición. Al llegar al límite entre el núcleo interno y el externo, en cambio, no hay cambio brusco (lo cual es lógico, al no haber cambio de composición), sino una subida gradual.