Tema 01 Geología PDF

Jesús de la Rosa Tema 1 Tema 1 Introducción a la geología 1. Geología y sus aspectos. 2. Neptunismo y Plutonismo. 3. Catastrofismo y Uniformitarismo. 4. Origen y evolución del Sistema de Planetas. 5. Origen y evolución de la Tierra como plan...

Jesús de la Rosa Tema 1 Tema 1 Introducción a la geología 1. Geología y sus aspectos. 2. Neptunismo y Plutonismo. 3. Catastrofismo y Uniformitarismo. 4. Origen y evolución del Sistema de Planetas. 5. Origen y evolución de la Tierra como planeta diferenciado. 1.- Geología y sus aspectos Para la gente de la calle Geología implica el estudio de las piedras. Ahondando más en la definición, un diccionario general la define como ciencia de la naturaleza y generación de las diferentes partes de la Tierra. Para los manuales de Ciencias Naturales Geología es la disciplina científica cuyo objeto es el estudio de la Tierra, su estructura, historia y evolución. Según Glossary of Geology (Bates y Jackson 1980), Geologia es el estudio del planeta Tierra, comprendiendo los materiales que la componen, los procesos que actúan sobre estos materiales, los productos originados, y la historia del planeta así como su vida desde que se originó. Según esta definición, la Geología considera las fuerzas físicas que actúan sobre la Tierra, la química de sus materiales constituyentes, y la biología del pasado, revelada esta por los fósiles. Es crucial en el estudio de la Tierra la comparación con los datos obtenidos de la Luna y otros cuerpos extraterrestres. Ciencias Geológicas (término utilizado en plural) son cualquiera de las especialidades que forman parte de la Geología, por ejemplo Geofísica, Geoquímica, Paleontología, etc. Aunque la Geología es una ciencia relativamente moderna, el estudio de la Tierra comenzó desde los primeros momentos de la Prehistoria. El conocimiento obtenido a partir de la Geología sirvió y sirve al hombre para investigar y descubrir yacimientos minerales y fuentes energéticas de valor económico en la corteza terrestre, identificar lugares estables geológicos para construcción de por ejemplo obras públicas, y dar un conocimiento de los peligros asociados a las fuerzas móviles de la Tierra dinámica. Los aspectos más relevantes de la Geología incluyen: 1) Apreciación de la Naturaleza: el hombre necesita conocer y explicar la naturaleza con objeto de obtener protección. Esta es la principal apreciación de la Geología, y va encaminada a la predicción de terremotos, tsunamis, deslizamientos de laderas, etc. 5  Jesús de la Rosa Tema 1 2) Geología económica: la prospección y el descubrimiento de materias primas, base para la industria. 3) Geología académica: considera aspectos puros de la geología tales como su nacimiento, evolución y técnicas de trabajos actuales. 4) Geología para los poetas: quizás muchos de los estudiantes que cursan hoy geología no tienen intención en un futuro de dedicarse a impartir docencia, investigar o trabajar en una empresa como geólogo. Ellos eligen geología por varias razones: conocer más sobre las Ciencias Naturales. 2.- Neptunismo y Plutonismo Distintos académicos tales como Nicolas Steno, Leonardo da Vinci, Jean Etienne Guettard, Georges Buffon, Peter Simon Pallas y Horace Benedict de Saussure fueron pioneros en Geología, pero quizás fue el Reino Unido y en concreto Escocia la cuna de la Geología Moderna al final del siglo XVIII. Durante este periodo la principal preocupación de los geólogos fue el origen de las rocas y minerales que constituyen la corteza terrestre y la forma en que estos materiales están ensamblados en estratos. Observaron como las rocas son de distintos colores, composición, estructura, etc. Pero, ¿a qué era debida esta variedad?. El punto de partida de la Geología Moderna es el estudio de los fósiles; La interpretación del origen de los fósiles fue clave en el nacimiento de la Geología Moderna, llegándose al acuerdo que eran restos de animales extinguidos. También se concluyó como existían depósitos marinos sobre continentes, creyéndose que eran restos del Diluvio Universal. Esta interpretación permitió a los académicos ver la prueba de las Escrituras en Geología y fue la base de la teoría Neptuniana. Bertrand de Maillet (1748) fue el promotor de esta teoría, aunque la paternidad se atribuyó a Abraham Gottlob Werner (1750-1817), que era profesor de Mineralogía en Freiberg en Sajonia; realizó un gran tratado de Mineralogía. Según él las rocas y minerales eran productos del agua. Ambos se originaron en grandes oceanos y después fueron cubiertas en la superficie de la tierra. El papel del agua estaba de acuerdo con la suposición bíblica del Diluvio Universal, aunque Werner era casi ateo-deista. No todos los materiales se originaron en un mismo periodo, sino, y según Werner, se distingue cinco episodios: 1) Granitos gneises y porfidos. 2) Rocas transicionales: esquistos y grauvacas, atribuidas al Paleozoico Superior y cubrían los granitos. 3) Rocas sedimentarias como calizas 6  Jesús de la Rosa Tema 1 4) Erosión y transporte en pequeños continentes dando lugar a limos, arenas y conglomerados. 5) Volcanismo como consecuencia de una invasión de los continentes por el agua. Estos cinco periodos ocurrirían en un corto periodo de tiempo (10.000 años): un tiempo bíblico. Este ciclo fue único y supone a la Tierra como pasiva. Al mismo tiempo que realiza un mapa del Macizo de Bohemia, levanta una columna estratigráfica no muy exacta, tal como se demostró más tarde con la datación de los fósiles. La falta de interés por los fósiles fue clave. Un problema que tuvo Werner fue el origen de los Basaltos. En los Alpes éstos se encuentran en láminas horizontales interstratificados con rocas sedimentarias, y supuso como provenían de la precipitación química en los océanos. Al mismo tipo asoció la presencia de basaltos con carbón. Jean Étienne Guettard (1715-1786) interpretó como el carbón y el betún era todo lo que se requería para explicar la formación de los volcanes. También Nicholas Desmarest (1725-1815) a partir de los trabajos realizados en Auvernia publicó en 1774 una monografía donde describe como el origen de la fuente de calor de los volcanes no viene del carbón, sino que la fusión del granito y originaría los basaltos, lo cual daba idea del desconocimiento de estos autores en química. Para argumentar la falta de conexión entre basaltos y lavas, observaban como la disyunción columnar solamente aparecía en los basaltos y no en las lavas, por lo que los basaltos provenían de los volcanes. Frente a las ideas neptunistas se situaron las de James Hutton (1726-1797) padre del plutonismo (pluto es el dios del fuego en la mitología griega). Hutton no poseía una posición en la Universidad: era un señor dueño de una granja. En 1795 publica The Theory of the Earth en dos volúmenes. Según Hutton los materiales de la corteza terrestre poseen dos orígenes: algunas rocas como calizas, esquistos, areniscas, etc se originaron en depósitos submarinos, considerándolas como rocas secundarias, ya que eran el resultado de la acción y erosión, transporte y sedimentación de rocas primarias. Las rocas primarias eran el resultado del enfriamiento de un magma caliente desde el interior de la Tierra. Estas eran rocas productos no del agua sino del fuego. El las denominó después como rocas ígneas siendo los basaltos y granitos típicas rocas de este grupo. Werner y Hutton poseían un punto en común y es el considerar los granitos como roca primordial de la corteza terrestre original. Hutton debía de explicar como el granito no provenía de la fusión de rocas preexistentes, sino que intruía en niveles superiores. Para demostrarlo eligió un área donde se ponían en contacto granitos y esquistos. 7  Jesús de la Rosa Tema 1 A diferencia de Werner, Hutton era más empírico e inductivo y suponía como en la historia de la Tierra no existió un ciclo único, sino que hubo una repetición de ciclos idénticos. Cada ciclo empieza con la acción del fuego, generando magmas en las profundidades, e inyectándose los mismos después en la superficie. El calor fue el causante del plegamiento de los estratos, creando las montañas. El periodo caliente fue seguido por un periodo de frio donde el agua fue el principal agente. Se erosionaron las cumbres, creando, transportando y depositando arena, gravas y arcillas en mares y lagos. El levantamiento de nuevas montañas causó que el agua fluya a un océano permanente y permitió a los sedimentos a emerger y secarse transformándose en rocas sedimentarias. El ciclo comenzaría de nuevo después. Todos los tipos de rocas se originarían durante cada ciclo: las ígneas a través de la acción del fuego y sedimentarias a través de la acción del agua. En resumen, el ciclo se centraría en dos fuerzas: una constructiva que sería el fuego y otra destructiva que sería el agua. La originalidad del modelo de Hutton estriba en que el modelo es cíclico y uniforme, existiendo en condiciones de equilibrio dinámico, es decir la Tierra es activa. Ya que la teoría de Hutton y Werner eran distintas, el objeto sobre el cual se soportaban también era distinto. Werner se basaba en un análisis global de las formaciones geológicas: el corazón de los continentes (Macizo de Harz en Alemania, Macizo de Bohemia-Moravia en Checoslovaquia, Macizo Central Francés) está formado por granitos gneises sobre los cuales se sitúan esquistos con fósiles. Además, proporcionó un mapa a gran escala. Sin embargo, J. Hutton se basó en observaciones a pequeña escala, y éste fue el principal fundamento de ataque de Werner. En Escocia, Hutton observaba como los estratos horizontales estaban cortados por venas de granitos de decenas de metros de espesor: es decir el granito intruyó después que se depositaran los estratos. La segunda observación de Hutton fue la disconformidad angular: mostró como capas de sedimentos plegadas eran cubiertas por estratos horizontales: es decir antes de que estos se depositaran existió el plegamiento de las otras capas. Esta observación fue clave para afirmar que la historia de la Tierra tuvo periodos de calma (depósito de capas horizontales) y plegamiento o periodos de actividad alternantes. El mar invadió los continentes durante los periodos de calma y emergieron en los periodos de plegamiento. Estos episodios alternantes originan ciclos. En definitiva, las observaciones geométricas entre granitos y estratos, y disconformidades entre estratos permiten describir la geología histórica de un área. Hasta 1790 la teoría de Werner fue aceptada. Después se publicaron la teoría de la gravedad de Newton y empezó la controversia con la publicación de The Theory of the Earth. En 1797 muere Hutton y sus discípulos John Playfair (1802) y Robert Jamieson (1808) defendieron sus ideas sobre el plutonismo. La teoría originó en realidad una controversia con implicaciones religiosas y filosóficas. 8  Jesús de la Rosa Tema 1 Un último intento de rechazo de la teoría plutonista por parte de los neptunistas consistió en el descubrimiento por Richard Kirwan (1797) de basaltos conteniendos fósiles; en realidad se trataba de un esquisto con fósiles metamorfizado por el contacto con un flujo de basaltos. Sin embargo la teoría de Hutton fue aceptada por la comunidad geológica. La falta de interés tanto biológica como histórica por los fósiles tanto por parte del Neptunismo y Plutonismo hicieron que muchas de sus suposiciones fueran erróneas y reinterpretadas más tarde por las teorías Catastrofistas y Uniformitaristas. Ver pp 23 Hallam (1985) conclusiones 3.- Catastrofismos y Uniformitarismo A partir de 1820, una vez aceptada la teoría de Hutton sobre el origen de la Tierra, existió otro debate ideológico en geología. Georges Cuvier (1769-1832) estableció los principios de anatomía comparada y estudiando sistemáticamente los estratos de la cuenca de París con Alexlandre Brongniart (asistente), detectó una serie de fauna fósil que aparecia y desaparecía. En su discurso preliminar publicado en 1812, Cuvier interpretó sus observaciones a partir de una actividad cíclica para toda la Tierra, donde los ciclos separarían grandes catástrofes que destruyen toda la vida de los continentes y después Dios crearía nuevas especies, todas diferentes de las previas, reemplazándolas. El hijo del asistente mostró que la flora y fauna fósil ha cambiado durante las sucesiones estratigráficas y en consecuencia durante el curso del tiempo. El catastrofisno se extendió a los tectónicos como Elie de Beaumont (1798-1874). Según Elie, los pliegues ocurrieron durante periodos de catástrofes que serían llamados después como fases tectónicas, los cuales se unen a los periodos de extinción de flora y fauna. El catastrofismo fue adoptado rápidamente en el Reino Unido, sobre todo por William Bucklad (1784-1856). Sin embargo, y al igual que ocurrió varios años antes con el enfrentamiento entre Plutonismo y Neptunismo, surgió una nueva teoría: el uniformitarismo. Charles Lyell (1797-1875), discípulo de Buckland, fue un oponente del catastrofismo de Cuvier. En 1830 publicó el primer volumen sobre Principles of Geology, tomando las ideas de Hutton, y refuta toda idea de catástrofe. Su lema era The Present is the key of the Past. por lo que propugnaba la uniformidad de los procesos, es decir el Uniformitarismo o su equivalente Actualismo en el continente. El pensaba que los eventos geológicos que tuvieron lugar en el pasado, y cuyos vestigios vemos hoy, fueron causados por fenómenos idénticos, 9  Jesús de la Rosa Tema 1 tanto en naturaleza como en intensidad, a los observados hoy tales como la erosión, sedimentación, volcanismo y terremotos. La uniformidad de un proceso significa que las causas que actúan hoy en el mundo son suficientes para dar cuenta de los vestigios existentes en el mundo del pasado geológico. Al igual que ocurrió con el plutonismo, el Uniformitarismo ganó sobre el catastrofismo. Esto fue debido también al desarrollo industrial: los ingenieros se basaban en hechos y no en razones especulativas, religiosas y especulativas. 4.- Origen y evolución del Sistema de Planetas. Al mismo tiempo que se sucedían las preguntas sobre el origen de los minerales y rocas, también existían muchas cuestiones sin resolver sobre el origen del Sistema Solar y la Tierra. Esta cuestión atrajo la atención tanto de filósofos como científicos en los dos últimos siglos. No es raro incluso que en los congresos existieran encrespados debates entre los nuevos datos experimentales o los nuevos avances teóricos. Las observaciones que debe explicar cualquier hipótesis sobre la evolución y origen del Sistema de Planetas serían: -Los planetas giran alrededor del sol en órbitas elípticas y circulares. -Las órbitas están localizadas en un plano y definen un disco el cual es perpendicular al eje de rotación del sol. -El periodo de rotación de los planetas depende de la distancia del sol: los más rápidos son los más lejanos y los más lento que los que giran cerca de él. -Los planetas giran en sus órbitas en la misma dirección que la rotación el sol, salvo Venus y Urano que lo hacen al contrario y en sentido horario desde el polo norte de la Tierra. Estas leyes de la mecánica celeste fueron descubiertas por Kepler y explicadas por Newton. Otras características físicas y químicas que deben ser explicadas son: -La distancia de cada planeta al sol viene a ser el doble que la del planeta anterior. Esta progresión viene dada por la regla de Bode D=(0.4+0.3 * 2n)Dt-s (n: nº de orden del planeta; Dt-s: distancia Tierra-Sol). Esta regla no se cumple para Marte y Júpiter, aunque parece existir un cinturón de asteroides que podrían proceder de la desintegración de un planeta. -Aunque el sol supone el 99.9% de la masa del Sistema Solar, el momento angular se concentra en los planetas mayores. Los planetas se agrupan en planetas Terrestres: Mercurio, Venus, Tierra y Marte, que son rocosos, pequeños densos e interiores y los planetas gigantes: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, que son 10  Jesús de la Rosa Tema 1 externos, gaseosos y de baja densidad. Estos últimos son más parecidos al sol que los terrestres. -Los cuatro constituyentes químicos de los planetas son Fe, O, Si y Mg. El Sol está constituido por 99% H y He. 4.1.- Teorías sobre el origen del Sistema Solar Durante un gran periodo de tiempo, el único objetivo de las teorías sobre el origen del Sistema Solar era la explicación de la formación de los planetas y las regularidades dinámicas descritas anteriormente. Existen dos tipos de teorías sobre el origen del Sistema Solar encabezadas por 1) Buffon (1749) y 2) por Kant (1755) y Laplace (1796): Según Buffon, en un determinado punto del Universo ocurrió un hecho catastrófico. Un cometa con características de una estrella colisionó con otro cuerpo. A partir del choque se originó el sol y una pluma de materia que enfriándose y condensándose daría con posterioridad a los planetas. Consideraciones térmicas suponen como los gases se encontrarían a un millón de grados y serían dispersado a través del espacio, por lo que esta teoría parece poco probable. Para Kant y Laplace, quienes independientemente propusieron una teoría similar antes de 1800, la formación del Sistema Solar tuvo lugar sin la intervención de fuerzas exteriores, a partir de la contracción de una nébula gaseosa que rotaba. La nébula rápidamente tomó la forma de un disco con una bola en el centro. La bola comenzó a crecer y la velocidad de rotación aumentó con su tamaño. A partir de este momento se generaron anillos de materia que producirían los planetas. La mayoría de los científicos están a favor de la teoría de la nébula. Sin embargo, esta teoría violaba las observaciones de cuatro planetas, sobre todo en lo relacionado al momento angular. La teoría no explica por qué el Sol conteniendo 99% de la masa del Sistema Solar solamente posee un 2% del momento angular, estando la mayoría concentrada en los planetas. En otras palabras, el sol gira demasiado lento para su masa. 4.2.- Acreción de los planetas Después de 1940, Schmidt desarrolló una teoría sobre el origen del Sistema Solar aislado del mundo occidental por el cinturón de acero (era ruso). Según Schmidt, un punto fundamental de la dinámica del Sistema Solar son las órbitas casi circulares de algunos planetas. Si los planetas se han originados por contracción gravitacional de una nébula, 11  Jesús de la Rosa Tema 1 deberían de tener órbitas elípticas. A partir de esta observación Schmidt desarrolló la teoría matemática de la acreción progresiva. Según esta idea, el disco a partir del cual se originó el Sistema Solar era muy caliente y gaseoso. Al enfriarse, se condensaron componentes sólidos y minerales originando granos los cuales constituyeron planetesimales o embriones de planetas. La proporción de los objetos mayores aumenta. Cuando dos planetesimales se unen, varias cosas ocurren. Si son del mismo tamaño chocan y se dirigen hacia lugares opuestos, rompiéndose en pequeñas piezas que viajan a través del espacio. Si son de distintos tamaños, en general las pequeñas son adheridas a las mayores aumentando su tamaño. En definitiva, la generación de los planetas es similar a la formación de una bola de nieve. Si crecieron cercanos al sol, la temperatura fue demasiado alta para que ciertos materiales se condensaran y los gases se escaparan lejos. Cerca del Sol los materiales se condensaron con metales y minerales. Mercurio de esta forma es el más denso y está constituido por Fe, los componentes que forman las rocas más ligeras (Mg, Si, O) se condensan en ambientes más fríos de los planetas terrestres. Agua, metano y amoniaco quedan en los satélites de los planetas gigantes como Júpiter y Saturno. Las bolas que alcanzan 2000 km de diámetro se hacen plásticas y redondeada bajo los efectos de la rotación y gravitación. Phobos (un satélite pequeño de Marte) posee un diámetro de 30 km y se parece a una gran patata. Algunos de estos hechos están siendo observados actualmente en nébulas del espacio, y supone como nuestro sistema de planetas no es un fenómeno único. 5.- Origen y evolución de la Tierra como planeta diferenciado. A partir del descubrimiento de la estructura y composición interna de la Tierra se sucedieron distintas ideas que explicaban su origen y evolución. Existen dos conjuntos de hipótesis opuestas que explican el origen de la Tierra: acreción heterogénea y homogénea. 5.1.-Acreción heterogénea Los materiales sólidos que constituyen la Tierra (polvo y roca) se ensamblaron o acrecionaron en función de la densidad es decir los más denso primero y los más ligero los últimos. Los elementos más densos generarían el núcleo y los más ligeros el manto y la corteza. Finalmente, materiales ligeros como los gases y agua fueron capturados por la gran masa de rocas originando los océanos y la atmósfera. En este modelo la estructura bandeada de la tierra es tan antigua como la tierra misma. 12  Jesús de la Rosa Tema 1 5.2.-Acreción homogénea La acreción de materiales terrestres comenzó con una nueve homogénea de polvo. La Tierra de los primeros días fue una bola conteniendo desde el núcleo a la zona más externa la misma proporción de silicatos, agua e Fe. Después de la acreción se originó la diferenciación, generándose las distintas capas que se conocen actualmente. El Fe se encuentra en el núcleo, mientras que los silicatos se encuentran en las zonas más externas. Los volátiles escaparían hacia la superficie formando la atmósfera y los océanos. Originalmente la Tierra se formó a partir de la acreción de planetesimales hace 4700 millones de años, y estaría constituido por Si, óxidos de Fe, Mg y pequeñas cantidades de otros elementos. Aunque los planetesimales estuvieran originalmente fríos, existen varios hechos que hicieron aumentar la temperatura de la Tierra. Cada impacto de un planetesimal originó una gran cantidad de energía que se convirtió en calor. Parte del calor se irradió al exterior, pero otra parte fue retenido en el planeta. También la compresión produjo un incremento de la temperatura. Los cálculos suponen un aumento de 1000ºC. Aunque los elementos pesados como U y Th no son muy abundantes, estos tuvieron una gran importancia sobre la temperatura de la Tierra debido a su radioactividad. Las curvas de temperatura interna incrementan con los años siguientes a la formación de la Tierra. Se observa incluso como se alcanza la curva de fusión de hierro. Después de 1000 millones de años después que se formará la Tierra, la temperatura a una profundidad de 400- 800 km habría alcanzado el punto de fusión de Fe. Otros modelos suponiendo una acreción rápida o alta radioactividad también prevén este hecho. El Fe fundido, al ser muy denso, se concentra en el núcleo, desplazando los materiales ligeros hacia las capas externas. La generación de un núcleo líquido fue un evento de proporciones catastróficas, ya que la energía gravitacional perdida se transformó en calor, aumentando la temperatura de la Tierra unos 2000ºC, fundiendo una gran parte de ella. Durante los primeros cientos de millones de años de la Tierra se originó una reorganización. El comienzo del estadio de diferenciación comenzó con la formación del núcleo. Al mismo tiempo los materiales ligeros de bajo punto de fusión se organizaron en un a corteza superficial y los materiales intermedios se concentraron en el manto. Además el escape de gases originó la formación de atmósfera y océanos. Pero que ocurrió con los otros planetas. Parece ser que alcanzaron la diferenciación, pero por distintos caminos. La Luna y Mercurio alcanzaron la diferenciación rápidamente y después llegaron a ser inactivos. La generación de los primeros continentes fue hace 4000 millones de años que coincide con la datación de las primeras rocas. 13  Jesús de la Rosa Tema 1 Cuando el interior terrestre se encontraba a mayor temperatura que el interior se originó una convección. Una vez que empezó la convección en la Tierra, el calor disipado rápidamente y el planeta se enfrió rápidamente. El manto se solidificó, pero el núcleo de Fe no y queda fundido incluso por 4000 millones de años. La distribución de los elementos no fue exclusivamente debida a su densidad sino a otras afinidades fisicoquímicas. Una consecuencia de esta zonación química es la concentración de elementos pesados como U y Th en la corteza terrestre como óxidos y silicatos. Esto ralentiza la operación de calentamiento de la Tierra. En el escenario de la acreción heterogénea, la acreción y diferenciación tuvo lugar simultáneamente, mientras que en la acreción homogénea ambas etapas se sucedieron. El origen de la atmósfera y océano son totalmente distintos en los dos escenarios. Según la acreción homogénea, la atmósfera y océanos fue el resultado de la desgasificación del manto, siendo su formación una parte integral del proceso primario de diferenciación. En contra, según la acreción heterogénea, los océanos y la atmósfera fue capturada por la tierra en forma de hielo y nubes densas calentadas. Estas nunca estuvieron en contacto con el núcleo ni el manto. Referencias complementarias Siccar Point - the birthplace of modern geology (BGS) https://www.youtube.com/watch?v=JCEDCcHcpYE BBC Men Of Rock 3 documentales | HD Geology Documentary | Iain Stewart https://www.youtube.com/watch?v=LaitlLpcDo8 https://www.youtube.com/watch?v=yxErRwwzJjM&t=0s https://www.youtube.com/watch?v=vGnBz0VwXoE&t=0s Iain Stewart (geologist) https://en.wikipedia.org/wiki/Iain_Stewart_(geologist) 14