Movimientos verticales de la corteza - La isostasia PDF

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Explicación sobre el fenómeno de la isostasia en la corteza terrestre por medio la la hidrodinámica...

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Univer Universidad sidad de El Salv Salvador ador Facultad Multidisciplinaria de Occidente

Movimientos verticales de la corteza: La Isostasia Trabajo de investigación final

Carrera: Licenciatura en Geofísica Asignatura: Física II Docente: Licenciada Jessica Aguilar

MIEMBROS DEL GRUPO: Liliana Stephanie Sarmiento Villafuerte | SV18027 José Adolfo Lima Morales | LM18 LM1803 03 038 8 José Antonio Castellanos García | CG18043 Robin Stanley Aguilar Vega | AV1 V18002 8002

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INDICE:

1. Introducción................................................................................................................................... 3 2. Objetivos ........................................................................................................................................ 4 2.1 Objetivo general ....................................................................................................................... 4 2.2 Objetivos específicos ................................................................................................................ 4 3. Marco teórico ................................................................................................................................ 5 3.1 Movimientos verticales de la corteza ....................................................................................... 5 3.2 Antecedentes históricos ........................................................................................................... 5 3.3 Estructura interna y externa de la Tierra .................................................................................. 7 3.3.1 Capas definidas por su composición.................................................................................. 8 3.3.2 Las placas tectónicas ......................................................................................................... 9 3.3.3 Formación de las montañas .............................................................................................. 9 3.3.4 Discontinuidad de Mohorovicic ......................................................................................... 9 3.4 Teoría física ............................................................................................................................10 3.4.1 Densidad .........................................................................................................................10 3.4.2 Flotación .......................................................................................................................... 10 3.4.3 Ley de Newton de la gravitación ..................................................................................... 11 3.5 Isostasia .................................................................................................................................. 11 4. Conclusiones ................................................................................................................................ 13 4.1 Calculo del porcentaje de corteza sumergido en el manto ....................................................13 4.2 Aplicaciones de la isostasia en la geofísica ............................................................................. 16 5. Bibliografía................................................................................................................................... 17

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1. Introducción:

El universo completo, desde sus inicios, es regido por las leyes de la física. El planeta Tierra, nuestro hogar, es un gran exponente de los diversos fenómenos físicos que conocemos y que han sido estudiados por múltiples científicos. La isostasia es uno de los fenómenos que actúan en nuestro planeta, es explicado a partir de otros fenómenos físicos como el "Principio de Arquímedes" y esto debido a propiedades como la densidad (de las rocas); que en conjunto nos expresan como la corteza terrestre de nuestro planeta se mantiene en equilibrio a cierta distancia del núcleo. La isostasia es una propiedad geológica que puede ser útil para diversos estudios, de los cuales se pueden obtener resultados muy útiles para construcciones u otro tipo de necesidades del ámbito social

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2. Objetivos:

2.1. Objetivo general: Conocer la definición de la isostasia y sus causas, desde el punto de vista geológico y, principalmente, del físico.

2.2. Objetivos específicos: •

Observar los antecedentes que marcaron el inicio del estudio de la isostasia, para comprender la necesidad de continuar con el desarrollo de estas investigaciones.

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Analizar los procesos utilizando las herramientas matemáticas adecuadas dentro de la rama de la física, para así poder comprobar con certeza su veracidad.

•

Describir las aplicaciones que tiene la isostasia en la rama de la geofísica para ver su importancia dentro de la sociedad.

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3. Marco teórico: 3.1. Movimientos verticales de la corteza: Los movimientos verticales en la corteza se pueden clasificar en lineales o acelerados, o bien continuos o discontinuos. Los lineales corresponden a un movimiento de largo período en la corteza debido a procesos tectónicos, mientras que los acelerados corresponderían a situaciones pre o postsísmicas. 3.2. Antecedentes históricos: (Cruz, 1998) A partir del siglo XXVIII se hicieron una serie de descubrimientos geofísicos que habrían de ser trascendentales. Estos tuvieron que ver con investigaciones geodésicas sobre la forma real que presentaba nuestro planeta. Newton (1726) había determinado que la Tierra no era totalmente esférica, sino que, como consecuencia de la rotación, debía estar achatada por los polos. La física newtoniana, enmarcándola dentro de la controversia sobre la figura de la Tierra, sería introducida en los ambientes culturales franceses por Maupertuis (1732), con lo que Francia se incorporaría de esta forma a un debate frente al que hasta ese momento había permanecido ajena. En las primeras décadas del siglo XVIII se organizó la expedición geodésica hispano-francesa al Perú (1735). La cual tenía por objetivo establecer con precisión la longitud del meridiano terrestre y zanjar la controversia sobre la figura de la Tierra, donde el hidrogeógrafo y geodesta francés Pierre Bouguer (1698-1758) en su obra personal, La Figure de la Terre (Bouguer, 1749) dio ciertas especificaciones en los datos aportados, donde se observan anomalías gravimétricas en las masas continentales, dicho fenómeno recibiría posteriormente el nombre de isostasia. En un principio se entendió la isostasia como una ordenación de la masa provocada de algún modo por la topografía. A tal efecto se propusieron dos modelos antagónicos para poder explicar dicho fenómeno.

Figura 1. Interpretación de los modelos del equilibrio isostático: A) Según Pratt (1855); B) Según Airy (1855)

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Para Airy (1855), las masas corticales presentaban, todas, la misma densidad. De esta forma, el equilibrio isostático solo era posible mantenerlo siempre y cuando estas masas se hundiesen en el manto a modo de raíces hasta una profundidad máxima denominada nivel de compensación isostática. Dicha profundidad alcanzada estaría en relación con la altura existente. En las cadenas montañosas, pues, existirían raíces corticales más profundas (lo que se verificaba en forma de anomalías gravimétricas negativas) que en las llanuras o a nivel del mar (donde dichas anomalías eran positivas). Según el modelo de Pratt (1855), por el contrario, todas las masas corticales presentaban el mismo grado de profundización en el manto, por lo que el equilibrio se mantendría debido a una densidad diferencial en dichas masas.

Según Tharbuck y Lutgens, (Tharbuck & Lutgens, 2005) uno de los principales avances en la determinación de la estructura de las montañas se produjo en la década de 1840, cuando Sir George Everest (en cuya memoria se dio nombre al monte Everest) realizo la primera investigación topográfica en India. Durante este estudio se midió la distancia entre las localidades de Kalianpur y Kaliana, situadas al sur de la cordillera del Himalaya, mediante dos métodos diferentes. En un método se utilizaba la técnica de investigación convencional de la triangulación y en el otro método se determinaba la distancia astronómicamente. Aunque ambas técnicas deberían haber dado resultados similares, los cálculos astronómicos situaron estas localidades casi 150 metros más cerca la una de la otra que la investigación por triangulación. La discrepancia se atribuyó a la atracción gravitacional ejercida por el masivo Himalaya sobre el peso de plomo utilizado para nivelar el instrumento. (Un peso de plomo es un peso metálico suspendido por una cuerda utilizada para determinar la orientación vertical.) Se sugirió que el desvío del peso de plomo sería mayor en Kaliana que en Kalianpur porque la primera está situada más cerca de las montañas. Unos años después, J. H. Pratt estimó la masa del Himalaya y calculó el error que debería haber sido causado por la influencia gravitacional de las montañas. Sorprendido, Pratt descubrió que las montañas deberían haber producido un error tres veces mayor que el que se observó en realidad. En otras palabras: las montañas no estaban «tirando de su peso». Era como si tuvieran un núcleo central hueco. George Airy desarrolló una hipótesis para explicar la masa aparentemente “ausente”. Airy sugirió que las rocas más ligeras de la corteza terrestre flotan en el manto más denso y que se deforma con mayor facilidad. Además, argumentó correctamente que la corteza debe de ser más gruesa debajo de las montañas que debajo de las regiones bajas adyacentes. En otras palabras, los terrenos montañosos son aguantados por material ligero de la corteza que se extiende en forma de «raíces» en el manto más denso. Los icebergs, que flotan por el peso del agua desplazada, exhiben este fenómeno. Si el Himalaya tiene raíces de rocas ligeras de la corteza que se extienden muy por debajo de la cordillera, estas montañas ejercerán una menor atracción gravitacional, tal como Pratt calculó. Por tanto, el modelo de Airy explicaba por qué el peso de plomo se desvió mucho menos de lo esperado. Los estudios sismológicos y gravitacionales han confirmado la existencia de raíces de la corteza bajo algunas cordilleras montañosas. El grosor de la corteza continental es en general de unos 35 kilómetros, pero se han

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determinado grosores de la corteza superiores a los 70 kilómetros para algunos cinturones montañosos. Impacto: La teoría de la isostasia trajo consigo un gran cambio a la hora de percepción de la corteza terrestre, la cual trajo consigo que la corteza menos densa flota en la parte superior de las rocas más densas y deformables del manto. Se sustento en las hipótesis de Airy y Pratt con los estudios en el Himalaya. Además, Airy argumento que la corteza en las montañas es más gruesa que en las regiones más bajas adyacentes. En otras palabras, los terrenos montañosos son aguantados por material ligero de la corteza que se extiende en forma de “raíces” en el manto más denso.

Figura 2. Durante el primer estudio topográfico de India, se produjo un error en la medición porque el peso de plomo de un instrumento fue desviado por el masivo Himalaya. El trabajo posterior de George Airy predijo que las montañas tienen raíces de rocas ligeras de la corteza. El modelo de Airy explicaba por qué el peso de plomo se desvió mucho menos de lo esperado.

3.3. Estructura interna y externa de la Tierra: Para estudiar la Tierra y su comportamiento, es necesario definir ciertos componentes de ella para comprender las nociones básicas en las cuales vamos a basarnos, también es necesario clasificar sus capas de formas diferentes para distintos objetivos de investigación. Existen dos formas de clasificar las capas de la Tierra, que son por su composición química y por sus propiedades físicas. En este caso solo nos es necesario comprender la clasificación de las capas de la Tierra por su composición, por lo que omitiremos la clasificación por sus propiedades físicas.

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3.3.1. Capas definidas por su composición: (Tharbuck & Lutgens, 2005) 3.3.1.1. Corteza: Es la capa rocosa más externa de la Tierra y la más delgada; se divide en la corteza oceánica (de aproximadamente 7 kilómetros de grosor y una 𝑔 densidad aproximada de 3 ⁄ 3 ) que cubre los fondos de los océanos y la 𝑐𝑚 corteza continental (de aproximadamente entre 35 y 40 kilómetros de grosor, aunque en algunos casos puede superar los 70 kilómetros de grosor en 𝑔 algunas zonas montañosas y una densidad aproximada de 2.6 ⁄ 3) que es 𝑐𝑚 la que forma los continentes, lo que no se encuentra bajo el agua de los océanos. A diferencia de la corteza oceánica, la corteza continental es muy poco homogénea ya que consta de una gran diversidad de tipos de rocas con diferentes composiciones químicas. 3.3.1.2. Manto: Representa más del 82% del volumen total de la Tierra, es una “envoltura” rocosa y solida que se extiende hasta una profundidad de 2,900 kilómetros, aunque el manto es un sólido, posee un comportamiento “plástico” y muy elástico, lo cual permite su relativamente fácil movimiento, debido a las fuerzas de convección por la diferencia de temperatura entre las rocas más profundas y las más externas, lo cual produce el fenómeno de la tectónica de placas. 3.3.1.3. Núcleo: Se cree que la composición del núcleo es una aleación de hierro y níquel con cantidades menores de oxígeno, silicio y azufre. A la presión extrema del núcleo, este material rico en hierro tiene una densidad media de cerca de 𝑔 11 ⁄ 3 . 𝑐𝑚

Figura 3. Ilustración de la clasificación de las capas de la Tierra por su composición. 8

3.3.2. Las placas tectónicas: Las placas tectónicas son fragmentos de la Tierra, compuestas por la parte superior del manto y la corteza terrestre. Estas placas están ubicadas en la litosfera y tienen un grosor de entre 100 a 150 kilómetros, aunque pueden alcanzar los 250 kilómetros. Bajo estas se encuentra una zona del manto que, debido a las altas temperaturas y la presión, las rocas están fundidas, actuando como un fluido “plástico”. Debido a la diferencia de temperatura que se presenta en el manto se crean fuerzas de convección, que provocan un movimiento de las rocas del manto, que a su vez generan un movimiento de la corteza, esto es conocido como la tectónica de placas, que es lo que provoca la ruptura de la corteza creando así las placas tectónicas, que se mantienen activas y dinámicas (en constante movimiento). 3.3.3. Formación de las montañas: A causa de la tectónica de placas, suceden diversos tipos de fenómenos entre las placas tectónicas; al encontrarse en movimiento, estas pueden llegar a chocar (convergencia), separarse (divergencia) o a moverse en direcciones opuestas sin chocar o separarse (transformante). Como vimos anteriormente, la corteza oceánica y la corteza continental poseen densidades diferentes entre ellas, por lo cual, cuando las placas convergen, la corteza oceánica que es más densa que la corteza continental se mueve por debajo (subducción) de la corteza continental; cuando dos placas continentales chocan entre sí, debido a sus densidades aproximadamente iguales, ninguna subduce por debajo de la otra, sino que ambas se elevan formando así grandes cadenas de montañas. En este tipo de zonas geológicas (montañas) es donde comúnmente se da el fenómeno de la isostasia. 3.3.4. Discontinuidad de Mohorovicic: Durante el siglo XIX se fueron compilando y analizando los datos sismológicos recogidos en muchas estaciones sismográficas. A partir de esta información, los sismólogos han desarrollado una imagen detallada del interior de la Tierra. Este modelo está siendo ajustado a medida que se dispone de más datos y que se emplean nuevas técnicas sísmicas. (Tharbuck & Lutgens, 2005) En 1909, un pionero sismólogo yugoslavo, Andrija Mohorovicic, presentaba la primera prueba convincente de la distribución en capas del interior de la Tierra. El limite que descubrió separa los materiales de la corteza de las rocas de composición diferente del manto subyacente y se denomino discontinuidad de Mohorovicic en su honor. Por razones obvias, el nombre de este 9

límite rápidamente se abrevió a Moho. En palabras más sencillas, la discontinuidad de Mohorovicic es la parte que separa la corteza y el manto superior. 3.4. Teoría física: Para explicar este tipo de movimientos verticales de la corteza es necesario conocer algunos fenómenos físicos que rigen sobre estos movimientos, dentro de los cuales están:

3.4.1. Densidad: Es una magnitud escalar que permite medir la cantidad de masa que hay en determinado volumen de una sustancia ya sea está líquida, sólida o gaseosa. (Tharbuck & Lutgens, 2005) Una propiedad importante de cualquier material es su densidad, la cual se define como su masa por unidad de volumen. Un material homogéneo (esta propiedad de la homogeneidad es muy importante para la isostasia, lo cual se explicará más adelante), tal como el hielo o el hierro, tiene la misma densidad en todas partes. Se utiliza la letra griega 𝜌 para denotar esta magnitud de la densidad. Por lo cual la densidad estaría dada por la siguiente ecuación: 𝜌=

𝑚 𝑉

La densidad es un concepto a tener muy en cuenta en este fenómeno geológico, ya que, como veremos más adelante, la densidad de un cuerpo influye en la flotación de un cuerpo sobre un fluido con densidad definida, además, de eso también depende la cantidad de masa que existe en un volumen definido, la cantidad de masa modifica la fuerza de atracción gravitacional entre dos cuerpos. 3.4.2. Flotación: (Tharbuck & Lutgens, 2005) La flotación es un fenómeno muy conocido: un cuerpo sumergido en agua parece pesar menos que en el aire. Si el cuerpo es menos denso que el fluido, entonces flota. El principio de Arquímedes establece que: Si un cuerpo esta parcial o totalmente sumergido en un fluido, este ejerce una fuerza hacia arriba sobre el cuerpo igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo. En el fenómeno físico descrito anteriormente podemos observar que actúan dos fuerzas sobre el objeto, que son el peso del objeto y el empuje que el fluido ejerce sobre el objeto. Y de igual forma se estableció ciertos parámetros que dependen de los valores de cada fuerza. Para conocer la fuerza del Empuje (E) tenemos la ecuación 𝐸 = 𝜌𝑓 𝑔𝑉𝑑 , donde 𝜌𝑓 es la densidad del fluido, 𝑔 es la aceleración de la gravedad y 𝑉𝑑 es el volumen desplazado (o el volumen total sumergido en el fluido), además también sabemos que cuando el objeto sumergido se encuentra en equilibrio, significa que el empuje es igual al peso del objeto, ya que ambas fuerzas se estarían anulando, 𝐸 = 𝑊 .

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Al igualar las dos formas de conocer el empuje y realizar algunos despejes obtenemos la siguiente ecuación:

𝜌 𝑉𝑑 = 𝑉 𝜌𝑓

Esto indica que la fracción del volumen de un objeto flotante que esta debajo de la superficie del fluido es igual a la razón de las densidades (la densidad del objeto con la densidad del fluido). Esta ecuación es muy útil para poder conocer el porcentaje de una montaña que se encuentra sumergida en la corteza terrestre, y para ello vamos a renombrar los subíndices para su mejor comprensión dentro del tema de la isostasia .

𝑉𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜 𝜌𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎ñ𝑎 = 𝑉𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎ñ𝑎 𝜌𝑚𝑎𝑛𝑡𝑜

3.4.3. Ley de Newton de la gravitación: Esta parte es mencionada únicamente con la finalidad de comprender los sucesos históricos, por lo tanto, no será descrita de una manera detallada. (Tharbuck & Lutgens, 2005) “Toda partícula de materia en el Universo atrae a todas las demás partículas con una fuerza directamente proporcional al producto de las masas de las partículas, en inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa”.

𝐹𝑔 =

𝐺𝑚1 𝑚2 𝑟2

En esta ecuación, vemos como resultado la fuerza gravitacional que actúa sobre cualquiera de las partículas, siendo 𝑚 sus masas, 𝑟 es la distancia de separación entre ambos cuerpos de masa (o ya sea partículas puntuales infinitesimalmente pequeñas) y 𝐺 es una cons...