11. litosfera

La ecosfera. La litosfera

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11. La LitosferaEstructura de la litosfera. Partes que la forman: corteza continental, corteza ocenica. Manto superior. Astenosfera. Caractersticas. Estructura. Isostasia. Composicin qumica de la litosfera. Minerales y rocas. Rocas gneas y sedimentarias. Dinmica de la litosfera: Movimientos ligados a la dinmica interna de la tierra: tectnica de placas. Fuentes energticas. Movimiento de las placas a lo largo de la historia de la tierra. El ciclo supercontinental. Efecto de la disposicin de tierras y mares sobre la dinmica de las envolturas fluidas del planeta. La corteza continental: dinmica relacionada con la tectnica de placas. Dinmica relacionada con la erosin y la isostasia. Interacciones con el clima. Bucles de realimentacin. El ciclo litosfrico. Transformaciones qumicas de los materiales terrestres. Meteorizacin. Transporte. Sedimentacin. Metamorfismo y fusin. Emisiones de voltiles. Fabricacin de nueva corteza. Emisin de voltiles. Vulcanismo y su efecto sobre el clima. Relacin con el ciclo supercontinental. El ciclo geoqumico del C. Lecturas recomendadas Dinmica terrestre . Investigacin y Ciencia. Temas 20. Berner, R.A. & Lasaga, A.C. Modelizacin del ciclo geoqumico del C. La atmsfera. Investigacin y Ciencia. Temas 12. Pp 87 95. Schlesinger, W. H. (2000). Biogeoqumica. Ariel. Cap. 4. Strahler, A. N & Strahler, A. H. (1989). Geografa fsica. Omega. Caps 12, 13, inicio 17. Martn Chivelet, J. (1999). Cambios climticos. Ediciones libertarias. Cap. 11. Cuestiones 1. Por el borde convergente de la placa arbica ha subducido el golfo prsico y todos sus yacimientos petrolferos. Qu consecuencias cree que puede tener esto sobre el balance de radiacin de la tierra?. 2. Dentro de muchos millones de aos la energa procedente de la desintegracin radiactiva se agotar. Qu consecuencias tendr sobre el funcionamiento de la ecosfera?. 3. Haga un esquema de los efectos que tiene la tectnica de placas sobre el balance de radiacin de la tierra. En que aspectos del balance de radiacin incide la litosfera. De que manera les afecta. A que escala temporal actan. 4. Haga un esquema de cmo esperara que cambie el clima en relacin con el ciclo supercontinental. 5. La actividad humana incrementa el C en la atmsfera quemando materia orgnica y fabricando cemento. Segn el IPCC esto est cambiando el clima y la sociedad lo percibe como malo para la naturaleza. Ponga estos cambios asociados al hombre en el contexto del ciclo geoqumico del C. Desde esta perspectiva, la actividad humana es buena o mala para la naturaleza?.

ECOLOGIA DE SISTEMAS 2001/2

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Estructura vertical de la litosfera (Strahler & Strahler, 1989 pag 222). La litosfera es slida y rgida, y est compuesta por dos capas: la corteza y el manto superior. Reposa sobre otra capa del manto, la astenosfera, que est muy caliente y es plstica. El lmite entre la corteza y el manto es ntido (discontinuidad de Mohorovicic o Moho) y corresponde a un cambio brusco en composicin qumica. El manto est formado por rocas ultramficas, muy densas (3,3 g/cm .3 ), mientras que la corteza est formada por rocas mficas (basaltos, 3 g/cm3 ) y flsicas (granitos, 2,7 g/cm3 ). Se pueden distinguir dos tipos de corteza, ocenica y continental, que difieren entre s en densidad, grosor composicin qumica y duracin. La corteza ocenica es basltica, ms densa, tiene un grosor medio de 10 km y se extiende bajo los fondos ocenicos. No dura mas de 200 millones de aos. La corteza continental es ms heterognea, con rocas sedimentarias, gneas y metamrficas, 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 aos. En la parte ms externa de la litosfera estn los sedimentos, rocas menos densas que son el resultado de la interaccin de la litosfera con los otros subsistemas (atmsfera, hidrosfera y biosfera).

Limite entre la litosfera y la astenosfera en un corte vertical exagerado verticalmente (arriba) y otro sin exagerar (abajo). El lmite no es abrupto, sino un gradiente de temperatura. Se considera que el lmite est en los 1300 C (Molnar, 2000).


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Distribucin de la superficie de la litosfera por zonas de altitud en %. La corteza continental ocupa las zonas ms elevadas: las tierras emergidas y las plataformas continentales del ocano, alrededor del 45% de la superficie total. El lmite entre la corteza continental y ocenica est mal definida al estar cubierta de sedimentos. ISOSTASIA La corteza, menos densa y rgida, se apoya en la astenosfera, ms densa y elstica. La litosfera flota sobre la astenosfera.

Modelo de Airy Modelo de Veinig-Meinesz Si la litosfera es muy gruesa la compensacin isosttica es regional. Toda la regin se comba como un tabln con un peso encima (Molnar 2000)

Excepcin a la compensacin isosttica: Si la astenosfera est muy caliente tiende a subir, levantando la litosfera (Burchfiel 2000)


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Composicin qumicaRocas Igneas: Solidificacin de magma procedente del interior de la tierra. La densidad aumenta al descender porque disminuye el Si y aumentan tomos mas pesados. Los ms ligeros solidifican a temperaturas ms bajas. (Strahler & Strahler, 1989)

Al

Mg

Rocas sedimentarias: interaccin de rocas gneas con las envolturas fluidas. Clsticas Transformacin fsica: troceado Transformacin qumica: arcillas Sedimentos piroclsticos : material de erupciones volcnicas Sedimentos detrticos : disgregacin de rocas: Conglomerados (trozos > 2 mm) Areniscas (trozos 2-0,2 mm) Esquistos-pizarras (trozos < 0,2 mm) No clsticas Transformacin qumica: minerales de nueva creacin en superficie Calcita: Ca CO3 Doloma: CaMg (CO3 )2 Anhidrita: Ca SO4 Yeso: Ca SO4 2 H2 O Halita: NaCl Hematites: Fe2 O3 Calcedonia: SiO 2 Carbn, Petrleo, Gas: CH2 O Creta: esqueletos organismos

De Strahler & Strahler (1989).


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La ecosfera. La litosfera Dinmica de la litosfera

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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 estn fundidas y son plsticas. Estas celdas convectivas mueven la litosfera, que flota sobre el manto, y que es rgida y est dividida en placas independientes.(Siever 2000).

G

T Roca calienteRoca fra

Roca caliente

Roca fra

Transformaciones energticas en el interior de la tierra. (Strahler &Strahler 1989. Pag 245). La energa que mueve todo el sistema proviene de la descomposicin radiactiva de los materiales terrestres. Es un sistema que decae, ya que cuando todos los elementos radiactivos se descompongan la emisin de energa cesar y el sistema se parar.


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La ecosfera. La litosfera Principales placas litosfricas y sus lmites (Francheteau 2000)

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Borde divergente

Borde convergente

Falla transformante

Movimiento

Tectnica de placas

(Martn Chivelet, 1999)


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La ecosfera. La litosfera Los movimientos de las placas litosfricas da lugar a cambios en la posicin de continentes y ocanos en el tiempo: Deriva continental (Siever 2000).Proterozoico Carbonfero

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Vndico

Jursico

Ordovcico

Cretcico

Devnico

Holoceno

La posicin relativa de tierras y mares afecta a la circulacin ocenica y al albedo terrestre, y como consecuencia, al clima. La glaciacin del Proterozoico se puede explicar en parte por la posicin 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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El movimiento de la corteza terrestre sigue un comportamiento ordenado: cada 500 millones de aos 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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La ecosfera. La litosfera Dinmica de la corteza continental

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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 adicin de nuevos materiales procedentes de las rocas que subducen bajo la corteza continental, por materiales calientes procedentes del manto que se abren paso a travs de los continentes y por la adicin de arcos volcnicos o fondos marinos que chocan con los continentes por la accin de la tectnica de placas. (Tailor & McLennan 2000). El crecimiento no es continuo, sino episdico, y esto se relaciona con el ciclo supercontinental. Cuando el supercontinente ha llegado a su mxima dispersin la corteza ocenica alcanza su mximo 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 ocenica 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 accin de la gravedad, almacenndose en las zonas bajas. La interaccin con la atmsfera e hidrosfera aceleran la cada de los materiales, pues favorecen la disgregacin y transporte. Las montaas, 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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El ciclo levantamiento- erosin sedimentacin interacta con la atmsfera y la biosfera (vegetacin). Da lugar a bucles de realimentacin de diferente signo que actan a tiempos diferentes, y cuyo resultado puede dar lugar a comportamientos complejos.

Sombra de lluvia Fuerzas tectnicas

+ + + lluvia + + + + Peso Vegetacin

+

+

-

ALTITUD

Elevacin

+

Erosin

En los ltimos 40 millones de aos se ha asistido a un progresivo enfriamiento de la tierra, junto a un periodo tectnico especialmente activo que ha formado muchas montaas. Cul es la causa y cual el efecto?. Incremento de la orognesis por tectnica de placas

+ erosin y transporte altitud media de los continentes

+glaciares de montaa

+precipitacin

+temperatura

+albedo

+

-

Modificacin de la circulacin de las envolturas fluidas por tectnica de placas


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CAMBIOS QUMICOS EN LA LITOSFERA. EL CICLO LITOLGICO.Ciclo litolgico. Propuesto por Hutton hace casi 200 aos. Los movimientos verticales de los materiales en la litosfera continental van acompaados de cambios en propiedades fsicas y composicin qumica. (Siever 2000).

CAMBIOS QUMICOS ASOCIADOS AL CICLO LITOLGICO. Meteorizacin. Reaccin de las rocas con la atmsfera e hidrosfera. Cambios en composicin qumica Erosin y transporte. Desplazamiento de materiales Sedimentacin. Acumulacin de materiales Metamorfismo y fusin. Cambios en composicin qumica. Expulsin de gases.


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METEORIZACIN. Reaccin de las rocas con la atmsfera e hidrosfera100 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 gneas + H2 CO3 + H2 O Cationes (Na, K, Ca, Al, Mg, Fe, Mg) + Slice + 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. Ntese la ausencia de N. Factores que controlan la meteorizacin

Meteorizacin y clima (Schlesinger, 2000)

Meteorizacin y actividad biolgica (Schlesinger 2000). La respiracin del suelo incrementa la [`CO2 ] y por ello la meteorizacin. Adems, lo cidos orgnicos que desprenden plantas y microorganismos atacan a los silicatos y enzimas que meteorizan los fosfatos. A mayor actividad biolgica, estimada a travs de la ETP (que se correlaciona positivamente con la biomasa y PPN), mayor es la [`CO2 ] en el suelo. Mayor es la meteorizacin.


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La relacin que mantiene la biosfera con la litosfera a travs de la meteorizacin es una relacin crecimiento-colapso, cuyo colapso est muy retardado (escala de tiempo geolgico) por el reciclado de nutrientes a travs de la necrosfera. La erosin puede mantener el sistema en crecimiento al permitir una entrada continua de rocas, pero la biosfera limita la erosin al retener materiales con las races. Erosin Biosfera Produccin

+meteorizacin Rocas nutrientes

+Erosin

EROSION Y TRANSPORTE La biosfera evita la erosin. Se estima que antes de la invasin de los continentes por la biosfera la erosin mecnica podra ser 4 veces superior a la actual. Perdida anual de materiales de lo continentes

Schlesinger 2000.


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SEDIMENTACIN. Rocas sedimentarias: Clasticas Transformacin fsica: troceado Transformacin qumica: arcillas Sedimentos piroclsticos : material de erupciones volcnicas Sedimentos detrticos : disgregacin de rocas: Conglomerados (trozos > 2 mm) Areniscas (trozos 2-0,2 mm) Esquistos-pizarras (trozos < 0,2 mm) No clasticas Transformacin qumica: minerales de nueva creacin en superficie Calcita: Ca CO3 Doloma: CaMg (CO3 )2 Anhidrita: Ca SO4 Yeso: Ca SO4 2 H2 O Halita: NaCl Hematites: Fe2 O3 Calcedonia: SiO 2 Carbn, Petrleo, Gas: CH2 O Creta: esqueletos organismos

Los materiales producto de la meteorizacin reaccionan entre s y precipitan, formando las rocas no clasticas. La sedimentacin se produce fundamentalmente sobre la plataforma continental. Solo un pequeo porcentaje de los sedimentos pasan a las cuencas ocenicas profundas (litosfera ocenica). FUSIN Y METAMORFISMO. En las condiciones de alta presin y temperatura de la parte profunda de la litosfera los materiales sedimentarios reaccionan entre s, dando de nuevo rocas gneas. CO3 Ca, Mg + Slice Silicatos + CO2 Los elementos voltiles vuelven a la superficie por los volcanes, completndose el ciclo. VOLCANES Emisin de voltiles Unidades H2 O H2 CO2 SO2 SH2 ClH N2 NH3 O2 CH4 Kudryavy Rusia % moles 95,0 0,56 2,0 1,3 0,4 0,4 0,2 0,003 0,002 Nevado de Ruiz, Colombia % peso 94,9 2,9 2,7 0,8 0,005 Kamchatka Rusia % volumen 78,6 3,01 4,9 0,03 0,2 0,6 11,9 0,1 0,01 0,4

Composicin de gases volcnicos en % de peso. Schlesinger 2000.


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La ecosfera. La litosfera FORMACIN DE NUEVA CORTEZA.

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La solidificacin de los materiales del manto que crean nueva corteza ocenica da lugar a cambios qumicos y a la emisin de voltiles. Material del manto Basalto + gases Gases voltiles de los magmas en % en peso(Strahler & Strahler 1989 pag 210) Compuesto Agua H2 O Carbono CO2 Azufre S2 Nitrgeno N2 Argn A Cloro Cl2 Hidrogeno H2 Gases de los volcanes Mauna Loa y Kilaunea 60 24 13 5,7 0,3 0,1 0,004 Voltiles en la atmsfera e hidrosfera 93 5,1 0,13 0,24 Indicios 1,7 0,07

Estos voltiles son el origen de la atmsfera e hidrosfera actual. Los que faltan estn en los sedimentos de la litosfera. Las erupciones volcnicas son episdicas y producen un fuerte impacto sobre el clima. El impacto es a corto plazo (dias-aos). Periodos con actividad volcnica continuada pueden tener efectos a mas largo plazo.

Los volcanes emiten grandes cantidades de CO2 , gas invernadero, por lo que una actividad volcnica continuada puede incrementar la temperatura de la superficie terrestre. El calentamiento en el mesozoico se asocia a la disgregacin de Pangea. La apertura de un ocano implica la activacin de la formacin de corteza ocenica, incrementndose la emisin de CO2 en las nuevas dorsales. La salida del C a la atmsfera est condicionada por la mezcla ocenica. Si el ocano no se mezcla el CO2 se acumula en el ocano y sale de repente cuando la mezcla se produce. Se ha propuesto como hiptesis para explicar la extincin a finales del Cretcico.


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La ecosfera. La litosfera RELACIN ENTRE LA DINMICA DE LA LITOSFERA Y EL CO2

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Disgregacin supercontinente actividad magmtica ocenica CO2 Mxima disgregacin Subduccin CO2 Formacin de supercontinente Nueva roca para erosionar CO2

CICLO GEOQUMICO DEL C (Berner & Lasaga) El ciclo litolgico controla el balance de radiacin de la tierra a travs del reciclaje del C, que es un gas invernadero


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