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La Composición de la Tierra

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La Composición de la Tierra

  1. 1. La Composición de la Tierra• ¿Para qué nos sirve saberla?• ¿Cómo podemos conocerla?• ¿Qué procesos fisicoquímicos la controlan? 1
  2. 2. La Anatomía de la Tierra 2
  3. 3. El Núcleo: ~3 400 km de radio 32.5% de la masa de la tierra Aleación de Fe-Ni Externo: líquido Interno: sólidoMeteorito metálico 3
  4. 4. El Manto:~3 000 km de radio66% de la masa de la tierra83% volumen total de la tierraMinerales ricos en Fe-MgRocas ultramáficas Peridotitas 4
  5. 5. Composición del manto Rocas ultramáficasLa composición promedio del manto es:SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O46% 0.2% 4% 7.5% 38% 3.2% 0.3%El resto de los elementos < 0.5%. Contenido de H2O ~100 ppmolivino (Mg,Fe)2SiO4 [Mg/(Mg+Fe)~0.9]ortopiroxeno (Mg,Fe)2SiO6clinopiroxeno Ca(Mg,Fe)Si2O6Además de un mineral aluminoso que depende de la presión:0-1 GPa, Plagioclasa CaAl2Si2O8-NaAlSi3O8 [Ca/(Ca+Na) ~0.9]1-3 GPa, espinela MgAl2O4 5>3 GPa, granate (Fe,Mg,Ca) Al Si O
  6. 6. La Corteza:Espesor varía 6-90 Km (40 km prom)0.5% de la masa total de la tierraCorteza Oceánica:6-10 kmEdad < 200 Ma~50%:~50% ferromagnesianos:feldespatosComposición intermedia (rocas máficas)Corteza Continental:10-90 km (35-40 km prom)Edad variable (3.6 Ga-4.4Ga?)Empobrecida en Fe-Mg, enriquecida en Al, Si, Ca y NaCuarzo+Feldespatos (rocas félsicas) Granito Granodiorita Gabro 6
  7. 7. Composición de la corteza oceánica Rocas máficasLa composición promedio de la corteza oceánica (máfica):SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O50.5% 1.6% 15% 10.5% 7.6% 11.3% 2.7% 0.1%El resto de los elementos < 0.5%. Contenido de H2O ~1000 ppmEnriquecida en TiO2, Al2O3, CaO, Na2O, and K2O c/r manto; pero muy empobrecida en MgO.Clinopiroxeno Ca(Mg,Fe)Si2O6Feldspatos (plagioclasa) CaAl2Si2O8-NaAlSi3O8 [Ca/(Ca+Na) ~0.4-0.7] 7además de Olivino, Opx, trazas de cuarzo. H2O concentrada en el
  8. 8. Composición de la corteza continental Rocas félsicasLa composición promedio de la corteza continental:SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O57% 0.9% 16% 9% 5% 7.4% 3.1% 1.0%El resto de los elementos <0.5%. Contenido de H2O es muy variable, pero puede alcanzar más de 8%Enriquecida en SiO2, K2O con respecto al manto y corteza oceánica. Cuarzo y feldespato dominan. H2O en micas y anfíboles.Plagioclasa CaAl2Si2O8-NaAlSi3O8 [Ca/(Ca+Na) ~0.1-0.6]Feldspato-K NaAlSi3O8-KAlSi3O8Cuarzo SiO2Mica: Biotita KMg3(AlSi3)O10(OH)2Mica: Muscovite KAl2(AlSi3)O10(OH)2 8
  9. 9. Estructura Física de la TierraCapas concentricas: Presión=ρgh Diferentes composiciones Diferentes densidades Capa Densidad (g/cm3) Hidrósfera 1.03 Corteza 2.8 Manto 4.5 Núcleo 11 9
  10. 10. Estructura Física y Composición de la Tierra(1) Métodos geofísicos 10
  11. 11. Velocidad ≈ Densidad(1) 10-12 km en oceános (30-50 km en continentes) está el MOHO(2) 90-200 km baja velocidad. Litósfera-Astenósfera(3) 400 km. Piroxeno-Granate y Olivino-Fase B (espinela)(4) 700 km. Fase B-Perovskita(5) >700 km. No hay cambios apreciables en estructura 11
  12. 12. Estructura Física y Composición de la Tierra Evidencias Petrológicas-Geoquímicas • Estudios de los xenolitos y secuencias ofiolíticas • Estudios de las rocas magmáticas derivadas de la FP del manto • Evidencias cosmoquímicas (meteoritos)Condrita Carbonácea Komatiita Peridotita 12
  13. 13. Procesos geológicos ⇒ energíaFuentes de Energía en la Tierra: Energía Solar: Mueve hidrósfera y atmósfera Energía Interna: Actividad tectónica 13
  14. 14. Fuentes de Energía en la Tierra Energía Gravitacional DecaimientoAcreción y Diferenciación Radiactivo 238 U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb Muy variable 50-90% del calor interno Concentraciones (ppm) U Th K Rb Cor. Ocean. 0.065 0.164 850 0.73 Cor. Contin 1.4 5.6 10E3 57 Manto Primit. .021 .085 14 301 0.6
  15. 15. Transferencia de Calor en la TierraRadiación: Transmisión de energía electromagnética haciael medio ambiente. El sol, un foco, etc.Conducción: Transferencia de vibraciones a nivel atómicoy molecular cuando existe contacto entre dos cuerpos con distintatemperatura. Grad. Térmico= T2-T1/l Flujo calorífico=∆T x kTT1=300 kT=conductividad térmica kTCu=0.9, kTRoca=0.005 l (cal/cms°C) T2=1000 Flujo calorífico=cal/cm2s=(watt/m2) Flujo Calorífico Tierra =0.09 watt/m2 15
  16. 16. Gradiente Geotérmico = ∆T/z Extrapolado ¡En la corteza 20-40° C por kilómetro! Gradiente NO es constante c/r a Z ¿Por qué? ¿Mecanismo adicional? ¿Mayor calor en la corteza? 16
  17. 17. Transferencia de Calor en la TierraConvección: Movimiento de materiales con distinta temperaturapor efecto de una diferencia de densidades. 17
  18. 18. Tectónica de Placas y MagmatismoLa litósfera está organizada en una serie de placas rígidas que se muevenentre sí por efecto de la convección del manto (astenósfera). Convección→disipación de calor→Trabajo→Transferencia de energía 18
  19. 19. Tectónica de Placas y MagmatismoLímites de Placas: Convergente, Divergente y Transforme 19
  20. 20. Límtes DivergentesCrestas Oceánicas 20
  21. 21. Límites Divergentes“Rifts Continentales” 21
  22. 22. Límites Convergentes 22
  23. 23. Límites ConvergentesColisión Continental 23
  24. 24. Límites Transformes ¿Magmatismo? 24
  25. 25. Magmatismo Intraplaca “Plumas del Manto” o “Puntos Calientes” IslandiaBasaltos de Columbia River 25
  26. 26. 2.2.1 Análisis de rocas Técnicas microanalíticasMicrosonda electrónicaUn haz de electrones se enfoca en una pequeña área (µm) de una sección pulida y generarayos X. La intensidad de la radiación se mide con espectrómetros de dispersión delongitud de onda. Se pueden obtener análisis multielementales de materiales geológicos enel rango de 100 ppm a 100%.Ablación con láserPermite el muestreo directo de sólidos (vidrio volcánico, minerales, inclusiones fluidas) opolvos comprimidos por medio de un rayo láser. Acoplado a un ICP-MS permite el análisisde elementos en niveles traza.Microsonda iónica sensitiva de alta resolución(Sensitive High Resolution Ion Microprobe, SHRIMP)Un haz de iones primarios de oxígeno o cesio se enfoca en la superficie (10 to 30 µm dediámetro; 0.5-1µm de profundidad) y una fracción del material dispersado se ioniza (formaiones secundaros). Se pueden analizar rocas y secciones delgadas, o granos individualesmontados, cortados y pulidos para exponer su estructura interna.Permite medir composiciones isotópicas (p. ej. Sr, Pb, U, Hf, S) y hacer análisis deelementos traza. Una de las aplicaciones importantes es el fechamiento U-Th-Pb encristales de circón, monacita, titanita, rutilo, perovskita. 26
  27. 27. 2.2.1 Análisis de rocas Elementos MayoresComparación de Técnicas Analíticas Límites de detección FRX ICP-AES Rango de concentración de análisis % % SiO2 0.01 0.01 TiO2 0.01 0.001 Al2O3 0.01 0.01 CaO 0.01 0.01 Fe2O3 0.01 0.01 K2O 0.01 0.01 MgO 0.01 0.01 MnO 0.001 0.001 Na2O 0.01 0.01 P2O5 0.01 0.01 FRX: No requiere disolución de la muestra, eliminan- 27 do problemas de contaminación por reactivos.
  28. 28. 2.2.1 Análisis de rocas Comparación de Técnicas Analíticas Elementos Traza Límites de detección Límites de detección FRX ICP-MS INAA FRX ICP-MS INAA ppm ppm ppm mg/kg mg/kg mg/kgBa 5 1 20 La 0.05 0.05Co 5 0.1 0.1 Ce 0.05 1Cr 5 0.5 0.5 Pr 0.01Cs 0.05 0.2 Nd 0.05 1Hf 0.1 0.2 Sm 0.01 0.01Nb 2 0.1 Eu 0.005 0.05Ni 5 0.5 50 Gd 0.01Pb 5 0.5 Tb 0.01 0.1Rb 2 0.2 10 Dy 0.01Sc 1 0.01 Ho 0.01Sr 2 0.2 100 Er 0.01Ta 0.1 0.3 Tm 0.005Th 0.1 0.1 Tb 0.01 0.1U 0.1 0.1 Yb 0.01 0.05Y 2 0.1Zr Lu 0.002 0.01 5 1 28
  29. 29. 2.2.1 Análisis de rocas Aseguramiento de calidad de datos analíticosPara que un dato analítico sea completo debe incluir la incertidumbre de la medición.Por ejemplo: Ba 835 ± 15 ppmIndicadores de la calidad de datos analíticos: Sesgo (Exactitud)Indica la cercanía entre el valor determinado y el valor conocido (o real). Se determina por: Análisis repetido de patrones estables (Muestras de Referencia Certificadas). Estudio de comparación entre laboratorios.PrecisiónEs la medida de la cercanía con la que coinciden los resultados obtenidos al aplicarrepetidamente el procedimiento analítico bajo ciertas condiciones. Se puede evaluar pormedio de: Análisis repetidos de un patrón estable Análisis de duplicados Análisis de adiciones conocidas a blancos o muestras. 29
  30. 30. 2.2.2 Elementos Mayores ELEMENTOS MAYORES- Varían en un factor menor que 100 MgO (generalmente es mucho menor que este valor).- En general se reportan 11 elementos mayores/menores en análisis de rocas y minerales.- Constituyentes estructurales esenciales en minerales. SiO2 ELEMENTOS TRAZA- Tienen concentraciones que pueden variar hasta en un factor de 1,000.- Aproximadamente 90 de los 250  ~0 ppm elementos químicos conocidos se presentan en rocas y minerales en niveles traza (límite arbitrario: < 0.1%; <1,000 ppm).- En general sustituyen a elementos mayores en estructuras minerales. 30
  31. 31. Elementos MayoresLos elementos mayores controlan las fases minerales presentes a ciertascondiciones de cristalización del magma.Para facilitar la interpretación de los datos geoquímicos se emplean:1) Diagramas binarios (X-Y). a. Valor absoluto de los componentes químicos b. Relaciones de componentes químicos2) Diagramas ternarios.3) Normas que de alguna manera representan posibles modas (p. ej. CIPW).4) Representaciones matemáticas de la información composicional5) Modelos. 31
  32. 32. Posibles Elementos Mayores “tendencias” Diagramas de variación binarios (X-Y)En conjuntos de rocas ígneascogenéticas (comagmáticas), los paresde óxidos están fuertementecorrelacionados.Las correlaciones o tendencias sepueden generar, de forma individual oen combinación, a consecuencia de:• fusión parcial,• cristalización fraccionada,• mezcla de magmas, o• contaminación.Generalmente se considera que lastendencias representan el curso de laevolución química de los magmas, sinembargo es más probable querepresenten el promedio de lastendencias de evolución de muchoslotes de magma, los cuales muyprobablemente no eran idénticos encomposición dando lugar a procesos dediferenciación ligeramente diferentespara cada lote.Debido a esto y al error analítico seobserva cierta dispersión de los datos. 32
  33. 33. Elementos MayoresDiagramas de variación binarios (X-Y) Tal vez, la propiedad más importante de los diagramas de Harker es la aplicación de la regla de la palanca para el balance de masa. Si se tiene un conjunto de rocas relacionado por cristalización fraccionada, el cual presenta tendencias coherentes en diagramas de variación, se puede establecer el tipo de minerales que fraccionan. En general, las inflexiones en las tendencias indican el inicio de cristalización de un nuevo mineral o grupo de minerales. Las inflexiones se observarán sólo para los elementos contenidos en el mineral. 33
  34. 34. 2.2.3 Clasificación de rocas volcánicas basada en la composición química de roca total Diagrama TAS IUGS, Le Bas et al. (1986) Se aplica a rocas volcánicas frescas (H2O<2% y CO2 < 0.5%) en las que no es posible determinar la composición modal. Los análisis deben ser recalculados al 100% en base seca (sin H2O y CO2, PPC). Se apoya en norma CIPW. Basalto: Basalto alcalino: ne normativa Basalto subalcalino: hy, q norm Tefrita: < 10 % ol norm. Basanita: > 10 % ol norm. Traquita: q < 20% en q+ab+an+or Traquidacita: q > 20% en q+ab+an+or 34
  35. 35. Clasificación basada en la composición química de roca total Series de rocas magmáticas Rocas alcalinas: • Subsaturadas en sílice • Contienen ne normativa • Comúnmente incluyen alguno(s) de los minerales: - Feldespatoides (nefelina, leucita) - Analcima - Feldespato alcalino - Anfíboles alcalinos - Clinopiroxenos alcalinos - Soluciones sólidas biotita-flogopita - Olivino NO CONTIENEN: ORTOPIROXENO, CUARZO 35
  36. 36. Clasificación basada en la composición química de roca total Series de rocas magmáticas Subdivisión de rocas subalcalinas Series shoshoníticas 36
  37. 37. Clasificación basada en la composición química de roca total Saturación en sílice SATURADAS SUB- En la norma CIPW: SO BRE- SATURADAS SATURADAS Sobresaturadas: q A lb ita + A lb ita + Saturadas: hy , hy + olN e f e lin a A lb it a N e fe lin a c u a rz o Subsaturadas: ol + ne 2 6 A u m e n t a S iO 2 / N a 2O 37
  38. 38. Calsificación de basaltos basada en la composición normativa A u m e n ta s a tu r a c ió n e n s ílic e ne di qz Ba o B a s a lto T h o le ita v in sa a lc a lin o d e c u a rzo lto o li de de h ip lto T h o le it a sa e rs d e O liv in o Ba te n a ol hyTetraedro de basaltos 38
  39. 39. Clasificación basada en la composición química de roca total Saturación en alúminaEspecialmente importante en la clasificación de rocas félsicas 39
  40. 40. Clasificación basada en la composición química de roca totalSaturación en alúminaÍndice de saturación enalúmina:Al2O3 / (K2O+Na2O+CaO)Las relaciones sonmolares!!Dividir % en peso del óxidoentre el peso molecular delóxido. A u m e n ta g ra d o d e s a tu ra c ió n e n A l 40

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