1. La ecosfera. La litosfera 1
11. La Litosfera
Estructura de la litosfera. Partes que la forman: corteza continental, corteza oceánica.
Manto superior. Astenosfera. Características. Estructura. Isostasia.
Composición química de la litosfera. Minerales y rocas. Rocas ígneas y sedimentarias.
Dinámica de la litosfera: Movimientos ligados a la dinámica interna de la tierra:
tectónica de placas. Fuentes energéticas. Movimiento de las placas a lo largo de la
historia de la tierra. El ciclo supercontinental. Efecto de la disposición de tierras y mares
sobre la dinámica de las envolturas fluidas del planeta.
La corteza continental: dinámica relacionada con la tectónica de placas. Dinámica
relacionada con la erosión y la isostasia. Interacciones con el clima. Bucles de
realimentación.
El ciclo litosférico. Transformaciones químicas de los materiales terrestres.
Meteorización. Transporte. Sedimentación. Metamorfismo y fusión. Emisiones de
volátiles. Fabricación de nueva corteza. Emisión de volátiles. Vulcanismo y su efecto
sobre el clima. Relación con el ciclo supercontinental.
El ciclo geoquímico del C.
Lecturas recomendadas
Dinámica terrestre . Investigación y Ciencia. Temas 20.
Berner, R.A. & Lasaga, A.C. Modelización del ciclo geoquímico del C. La atmósfera.
Investigación y Ciencia. Temas 12. Pp 87 – 95.
Schlesinger, W. H. (2000). Biogeoquímica. Ariel. Cap. 4.
Strahler, A. N & Strahler, A. H. (1989). Geografía física. Omega. Caps 12, 13, inicio
17.
Martín Chivelet, J. (1999). Cambios climáticos. Ediciones libertarias. Cap. 11.
Cuestiones
1. Por el borde convergente de la placa arábica ha subducido el golfo pérsico y todos
sus yacimientos petrolíferos. ¿Qué consecuencias cree que puede tener esto sobre el
balance de radiación de la tierra?.
2. Dentro de muchos millones de años la energía procedente de la desintegración
radiactiva se agotará. ¿Qué consecuencias tendrá sobre el funcionamiento de la
ecosfera?.
3. Haga un esquema de los efectos que tiene la tectónica de placas sobre el balance de
radiación de la tierra. En que aspectos del balance de radiación incide la litosfera.
De que manera les afecta. A que escala temporal actúan.
4. Haga un esquema de cómo esperaría que cambie el clima en relación con el ciclo
supercontinental.
5. La actividad humana incrementa el C en la atmósfera quemando materia orgánica y
fabricando cemento. Según el IPCC esto está cambiando el clima y la sociedad lo
percibe como “malo para la naturaleza”. Ponga estos cambios asociados al hombre
en el contexto del ciclo geoquímico del C. Desde esta perspectiva, la actividad
humana ¿ es “buena” o “mala” para la naturaleza”?.
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2. La ecosfera. La litosfera 2
Estructura vertical de la litosfera (Strahler & Strahler, 1989 pag 222). La litosfera es
sólida y rígida, y está compuesta por dos capas: la corteza y el manto superior. Reposa
sobre otra capa del manto, la astenosfera, que está muy caliente y es plástica. El límite
entre la corteza y el manto es nítido (discontinuidad de Mohorovicic o Moho) y
corresponde a un cambio brusco en composición química. El manto está formado por
rocas ultramáficas, muy densas (3,3 g/cm .3 ), mientras que la corteza está formada por
rocas máficas (basaltos, 3 g/cm3 ) y félsicas (granitos, 2,7 g/cm3 ). Se pueden distinguir
dos tipos de corteza, oceánica y continental, que difieren entre sí en densidad, grosor
composición química y duración. La corteza oceánica es basáltica, más densa, tiene un
grosor medio de 10 km y se extiende bajo los fondos oceánicos. No dura mas de 200
millones de años. La corteza continental es más heterogénea, con rocas sedimentarias,
ígneas y metamórficas, tiene un grosor de hasta 70 km y se extiende por los continentes
y plataformas continentales. Su edad va de 0 a 3800 millones de años. En la parte más
externa de la litosfera están los sedimentos, rocas menos densas que son el resultado de
la interacción de la litosfera con los otros subsistemas (atmósfera, hidrosfera y biosfera).
Limite entre la litosfera y la astenosfera en
un corte vertical exagerado verticalmente
(arriba) y otro sin exagerar (abajo). El
límite no es abrupto, sino un gradiente de
temperatura. Se considera que el límite está
en los 1300 ºC (Molnar, 2000).
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3. La ecosfera. La litosfera 3
Distribución de la superficie de la litosfera por zonas de altitud en %. La corteza
continental ocupa las zonas más elevadas: las tierras emergidas y las plataformas
continentales del océano, alrededor del 45% de la superficie total. El límite entre la
corteza continental y oceánica está mal definida al estar cubierta de sedimentos.
ISOSTASIA
La corteza, menos densa y rígida, se apoya en la astenosfera, más densa y elástica. La
litosfera “flota” sobre la astenosfera.
Modelo de Airy
Modelo de Veinig-Meinesz
Si la litosfera es muy gruesa la
compensación isostática es regional. Toda
la región se comba como un tablón con un
peso encima (Molnar 2000)
Excepción a la compensación
isostática: Si la astenosfera está
muy caliente tiende a subir,
levantando la litosfera (Burchfiel
2000)
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4. La ecosfera. La litosfera 4
Composición química
Rocas Igneas: Solidificación de magma procedente del interior de la tierra. La densidad
aumenta al descender porque disminuye el Si y aumentan átomos mas pesados. Los más
ligeros solidifican a temperaturas más bajas. (Strahler & Strahler, 1989)
Al
Mg
Rocas sedimentarias: interacción de rocas ígneas con las envolturas fluidas.
Clásticas No clásticas
Transformación física: troceado Transformación química: minerales de
Transformación química: arcillas nueva creación en superficie
Sedimentos piroclásticos : material de Calcita: Ca CO3
erupciones volcánicas Dolomía: CaMg (CO3 )2
Sedimentos detríticos : disgregación de Anhidrita: Ca SO4
rocas: Yeso: Ca SO4 – 2 H2 O
Conglomerados (trozos > 2 mm) Halita: NaCl
Areniscas (trozos 2-0,2 mm) Hematites: Fe2 O3
Esquistos-pizarras (trozos < 0,2 mm) Calcedonia: SiO 2
Carbón, Petróleo, Gas: CH2 O
Creta: esqueletos organismos
De Strahler & Strahler (1989).
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5. La ecosfera. La litosfera 5
Dinámica de la litosfera
Entre la superficie y el interior de la tierra existe un gradiente de temperatura paralelo y
con el mismo sentido que la gravedad. Se establecen celdas convectivas que mezclan los
materiales del manto. Esto es posible porque las rocas están fundidas y son plásticas.
Estas celdas convectivas mueven la litosfera, que flota sobre el manto, y que es rígida y
está dividida en placas independientes.(Siever 2000).
G Tª
Roca Roca
caliente fría
Roca Roca
caliente fría
Transformaciones energéticas en el interior de la tierra. (Strahler &Strahler 1989. Pag
245). La energía que mueve todo el sistema proviene de la descomposición radiactiva de
los materiales terrestres. Es un sistema que decae, ya que cuando todos los elementos
radiactivos se descompongan la emisión de energía cesará y el sistema se parará.
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6. La ecosfera. La litosfera 6
Principales placas litosféricas y sus límites (Francheteau 2000)
Borde divergente Borde convergente Falla transformante Movimiento
Tectónica de placas
(Martín Chivelet, 1999)
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7. La ecosfera. La litosfera 7
Los movimientos de las placas litosféricas da lugar a cambios en la posición de
continentes y océanos en el tiempo: Deriva continental (Siever 2000).
Proterozoico Carbonífero
Véndico Jurásico
Ordovícico Cretácico
Devónico Holoceno
La posición relativa de tierras y mares afecta a la circulación oceánica y al albedo
terrestre, y como consecuencia, al clima.
La glaciación del Proterozoico se
puede explicar en parte por la
posición ecuatorial de los
continentes, que incrementa el
albedo de la tierra. Si estos se
cubren de hielo el albedo
incrementa sustancialmente.
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8. La ecosfera. La litosfera 8
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9. La ecosfera. La litosfera 9
El movimiento de la corteza terrestre sigue un comportamiento ordenado: cada 500
millones de años aproximadamente la corteza continental se congrega en un
supercontinente, que posteriormente se disgrega, para volver a reunirse al cabo del
tiempo. (Murphy & Nance 2000).
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10. La ecosfera. La litosfera 10
Dinámica de la corteza continental
La corteza continental ha crecido a lo largo de la historia de la tierra. Como no subduce,
por ser demasiado ligera, se acumula. La corteza crece por la adición de nuevos
materiales procedentes de las rocas que subducen bajo la corteza continental, por
materiales calientes procedentes del manto que se abren paso a través de los continentes
y por la adición de arcos volcánicos o fondos marinos que chocan con los continentes
por la acción de la tectónica de placas. (Tailor & McLennan 2000). El crecimiento no es
continuo, sino episódico, y esto se relaciona con el ciclo supercontinental. Cuando el
supercontinente ha llegado a su máxima dispersión la corteza oceánica alcanza su
máximo envejecimiento y, por consiguiente, tiene las mayores posibilidades de formar
nueva corteza continental una vez que subduzca. Cuando los continentes convergen de
nuevo parte de la corteza oceánica pasa a ser corteza continental con el plegamiento.
La corteza continental es rugosa, con altitudes muy variadas. Los materiales a mayor
altitud tienden a caer por acción de la gravedad, almacenándose en las zonas bajas. La
interacción con la atmósfera e hidrosfera aceleran la caída de los materiales, pues
favorecen la disgregación y transporte. Las montañas, al perder materiales pierden peso,
y por efecto de la isostasia tienden a levantarse. Las zonas donde se acumulan los
sedimentos ganan peso, y tienden a hundirse. Esto genera un reciclado de los materiales
de la corteza. (Strahler & Strahler, 1989).
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11. La ecosfera. La litosfera 11
El ciclo levantamiento- erosión – sedimentación interactúa con la atmósfera y la
biosfera (vegetación). Da lugar a bucles de realimentación de diferente signo que actúan
a tiempos diferentes, y cuyo resultado puede dar lugar a comportamientos complejos.
Sombra
de lluvia
Fuerzas -
tectónicas + Vegetación
+
lluvia
+
+ +
+ + -
-
+ -
ALTITUD
-
-
Elevación +
Erosión
- +
Peso
En los últimos 40 millones de años se ha asistido a un progresivo enfriamiento de la
tierra, junto a un periodo tectónico especialmente activo que ha formado muchas
montañas. ¿Cuál es la causa y cual el efecto?.
Incremento de la orogénesis
por tectónica de placas
+
altitud media de los
-
continentes +
erosión y transporte glaciares de montaña
+ + +
precipitación albedo
+ temperatura -
Modificación de la circulación de las
envolturas fluidas por tectónica de placas
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12. La ecosfera. La litosfera 12
CAMBIOS QUÍMICOS EN LA LITOSFERA. EL CICLO
LITOLÓGICO.
Ciclo litológico. Propuesto por Hutton hace casi 200 años. Los movimientos verticales
de los materiales en la litosfera continental van acompañados de cambios en
propiedades físicas y composición química. (Siever 2000).
CAMBIOS QUÍMICOS ASOCIADOS AL CICLO LITOLÓGICO.
§ Meteorización. Reacción de las rocas con la atmósfera e hidrosfera.
Cambios en composición química
§ Erosión y transporte. Desplazamiento de materiales
§ Sedimentación. Acumulación de materiales
§ Metamorfismo y fusión. Cambios en composición química. Expulsión
de gases.
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13. La ecosfera. La litosfera 13
METEORIZACIÓN. Reacción de las rocas con la atmósfera e hidrosfera
100 kg de rocas + 15,5 kg de CO2 O2 H2 O 113 kg minerales + 2,5 kg de sales
CO2 + H2 O - ↔ H+ + HCO3 - ↔ H2 CO3
Rocas ígneas + H2 CO3 + H2 O → Cationes (Na, K, Ca, Al, Mg, Fe, Mg) + Sílice + Arcilla + HCO3 -
CaCO3 + H2 CO3 → Ca++ + 2 HCO3 -
4 FeS2 + 8 H2 O + 15 O2 → 2 Fe2 O3 + 16 H+ + 8 SO4 =
Ca5 (PO4 )3 OH + 4 H2 CO3 → 5 Ca ++ + 3 HPO4 = + 4 HCO3 - + H2 O
Los productos de todas estas reacciones (cationes, P etc.) son fuente de materiales para
la biosfera. Nótese la ausencia de N.
Factores que controlan la meteorización
Meteorización y clima
(Schlesinger, 2000)
Meteorización y actividad biológica (Schlesinger 2000). La respiración del suelo
incrementa la [`CO2 ] y por ello la meteorización. Además, lo ácidos orgánicos que
desprenden plantas y microorganismos atacan a los silicatos y enzimas que meteorizan
los fosfatos. A mayor actividad biológica, estimada a través de la ETP (que se
correlaciona positivamente con la biomasa y PPN), mayor es la [`CO2 ] en el suelo.
Mayor es la meteorización.
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14. La ecosfera. La litosfera 14
La relación que mantiene la biosfera con la litosfera a través de la meteorización es una
relación crecimiento-colapso, cuyo colapso está muy retardado (escala de tiempo
geológico) por el reciclado de nutrientes a través de la necrosfera.
La erosión puede mantener el sistema en crecimiento al permitir una “entrada” continua
de rocas, pero la biosfera limita la erosión al retener materiales con las raíces.
Erosión Producción
Biosfera
+
+
meteorización Erosión
Rocas nutrientes
EROSION Y TRANSPORTE
La biosfera evita la erosión. Se estima que antes de la invasión de los continentes por la
biosfera la erosión mecánica podría ser 4 veces superior a la actual.
Perdida anual de materiales de lo continentes
Schlesinger 2000.
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15. La ecosfera. La litosfera 15
SEDIMENTACIÓN.
Rocas sedimentarias:
Clasticas No clasticas
Transformación física: troceado Transformación química: minerales de
Transformación química: arcillas nueva creación en superficie
Sedimentos piroclásticos : material de Calcita: Ca CO3
erupciones volcánicas Dolomía: CaMg (CO3 )2
Sedimentos detríticos : disgregación de Anhidrita: Ca SO4
rocas: Yeso: Ca SO4 – 2 H2 O
Conglomerados (trozos > 2 mm) Halita: NaCl
Areniscas (trozos 2-0,2 mm) Hematites: Fe2 O3
Esquistos-pizarras (trozos < 0,2 mm) Calcedonia: SiO 2
Carbón, Petróleo, Gas: CH2 O
Creta: esqueletos organismos
Los materiales producto de la meteorización reaccionan entre sí y precipitan, formando
las rocas no clasticas.
La sedimentación se produce fundamentalmente sobre la plataforma continental. Solo
un pequeño porcentaje de los sedimentos pasan a las cuencas oceánicas profundas
(litosfera oceánica).
FUSIÓN Y METAMORFISMO.
En las condiciones de alta presión y temperatura de la parte profunda de la
litosfera los materiales sedimentarios reaccionan entre sí, dando de nuevo rocas ígneas.
CO3 Ca, Mg + Sílice → Silicatos + CO2
Los elementos volátiles vuelven a la superficie por los volcanes, completándose el ciclo.
VOLCANES
Emisión de Kudryavy Nevado de Ruiz, Kamchatka
volátiles Rusia Colombia Rusia
Unidades % moles % peso % volumen
H2 O 95,0 94,9 78,6
H2 0,56 3,01
CO2 2,0 2,9 4,9
SO2 1,3 2,7 0,03
SH2 0,4 0,8 0,2
ClH 0,4 0,005 0,6
N2 0,2 11,9
NH3 0,1
O2 0,003 0,01
CH4 0,002 0,4
Composición de gases volcánicos en % de peso. Schlesinger 2000.
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16. La ecosfera. La litosfera 16
FORMACIÓN DE NUEVA CORTEZA.
La solidificación de los materiales del manto que crean nueva corteza oceánica
da lugar a cambios químicos y a la emisión de volátiles.
Material del manto → Basalto + gases
Gases volátiles de los magmas en % en peso(Strahler & Strahler 1989 pag 210)
Compuesto Gases de los volcanes Volátiles en la atmósfera e
Mauna Loa y Kilaunea hidrosfera
Agua H2 O 60 93
Carbono CO2 24 5,1
Azufre S2 13 0,13
Nitrógeno N2 5,7 0,24
Argón A 0,3 Indicios
Cloro Cl2 0,1 1,7
Hidrogeno H2 0,004 0,07
Estos volátiles son el origen de la atmósfera e hidrosfera actual. Los que faltan están en
los sedimentos de la litosfera.
Las erupciones volcánicas son episódicas y producen un fuerte impacto sobre el clima.
El impacto es a corto plazo (dias-años). Periodos con actividad volcánica continuada
pueden tener efectos a mas largo plazo.
Los volcanes emiten grandes cantidades de CO2 , gas invernadero, por lo que una
actividad volcánica continuada puede incrementar la temperatura de la superficie
terrestre. El calentamiento en el mesozoico se asocia a la disgregación de Pangea. La
apertura de un océano implica la activación de la formación de corteza oceánica,
incrementándose la emisión de CO2 en las nuevas dorsales. La salida del C a la
atmósfera está condicionada por la mezcla oceánica. Si el océano no se mezcla el CO2
se acumula en el océano y sale de repente cuando la mezcla se produce. Se ha propuesto
como hipótesis para explicar la extinción a finales del Cretácico.
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17. La ecosfera. La litosfera 17
RELACIÓN ENTRE LA DINÁMICA DE LA LITOSFERA Y EL CO2
Disgregación supercontinente → actividad magmática oceánica ↑ → CO2 ↑
Máxima disgregación → Subducción ↑ → CO2 ↑
Formación de supercontinente → Nueva roca para erosionar → CO2 ↓
CICLO GEOQUÍMICO DEL C (Berner & Lasaga)
El ciclo litológico controla el balance de radiación de la tierra a través del reciclaje del
C, que es un gas invernadero
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18. La ecosfera. La litosfera 18
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19. La ecosfera. La litosfera 19
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