La Composición de la Tierra

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La Composición de la Tierra

• ¿Para qué nos sirve saberla?

• ¿Cómo podemos conocerla?

• ¿Qué procesos fisicoquímicos la controlan?

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La Anatomía de la Tierra

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El Núcleo:~3 400 km de radio32.5% de la masa de la tierraAleación de Fe-NiExterno: líquidoInterno: sólido

Meteorito metálico

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El Manto:~3 000 km de radio66% de la masa de la tierra83% volumen total de la tierraMinerales ricos en Fe-MgRocas ultramáficas

Peridotitas

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La 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 ppm

olivino (Mg,Fe)2SiO4 [Mg/(Mg+Fe)~0.9]ortopiroxeno (Mg,Fe)2SiO6

clinopiroxeno Ca(Mg,Fe)Si2O6

Además 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

>3 GPa, granate (Fe,Mg,Ca)3Al2Si3O12

Composición del mantoRocas ultramáficas

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La Corteza:Espesor varía 6-90 Km (40 km prom)0.5% de la masa total de la tierra

Corteza 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

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La 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 ppm Enriquecida en TiO2, Al2O3, CaO, Na2O, and K2O c/r manto; pero

muy empobrecida en MgO.

Clinopiroxeno Ca(Mg,Fe)Si2O6

Feldspatos (plagioclasa) CaAl2Si2O8-NaAlSi3O8

[Ca/(Ca+Na) ~0.4-0.7]además de Olivino, Opx, trazas de cuarzo. H2O concentrada en elAnfíbol (hornblenda) Ca2(Mg,Fe)4Al2Si7O22(OH)2

Composición de la corteza oceánicaRocas máficas

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Composición de la corteza continentalRocas félsicas

La 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-KAlSi3O8

Cuarzo SiO2

Mica: Biotita KMg3(AlSi3)O10(OH)2

Mica: Muscovite KAl2(AlSi3)O10(OH)2

Las rocas volcánicas andesita a riolita.Las rocas plutónicas diorita to granito.

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Estructura Física de la TierraCapas concentricas:

Diferentes composicionesDiferentes densidades

Capa Densidad (g/cm3)

Hidrósfera 1.03

Corteza 2.8

Manto 4.5

Núcleo 11

Presión=gh

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Estructura Física y Composición de la Tierra(1) Métodos geofísicos

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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

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• Estudios de los xenolitos y secuencias ofiolíticas• Estudios de las rocas magmáticas derivadas de la

FP del manto • Evidencias cosmoquímicas (meteoritos)

Estructura Física y Composición de la TierraEvidencias Petrológicas-Geoquímicas

Condrita Carbonácea Komatiita Peridotita

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Fuentes de Energía en la Tierra:Energía Solar: Mueve hidrósfera y atmósferaEnergía Interna: Actividad tectónica

Procesos geológicos energía

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Fuentes de Energía en la Tierra

Energía GravitacionalAcreción y Diferenciación

Decaimiento Radiactivo

238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb

U Th K Rb

Cor. Ocean. 0.065 0.164 850 0.73

Cor. Contin 1.4 5.6 10E3 57

Manto Primit. .021 .085 301 0.6

Muy variable50-90% del calor interno

Concentraciones (ppm)

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Transferencia de Calor en la Tierra

Radiación: 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.

T2=1000

T1=300

l

Grad. Térmico= T2-T1/l

Flujo calorífico=T x kT

kT=conductividad térmica

kTCu=0.9, kTRoca=0.005 (cal/cms°C)

Flujo calorífico=cal/cm2s=(watt/m2)

Flujo Calorífico Tierra =0.09 watt/m2

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Gradiente Geotérmico = T/z

¡En la corteza 20-40° C por kilómetro!

Gradiente NO es constante c/r a Z

Extrapolado

¿Mecanismo adicional?¿Mayor calor en la corteza?

¿Por qué?

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Convección: Movimiento de materiales con distinta temperaturapor efecto de una diferencia de densidades.

Transferencia de Calor en la Tierra

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Tectónica de Placas y Magmatismo

La litósfera está organizada en una serie de placas rígidas que se mueven entre sí por efecto de la convección del manto (astenósfera).

Convección→disipación de calor→Trabajo→Transferencia de energía

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Tectónica de Placas y Magmatismo

Límites de Placas: Convergente, Divergente y Transforme

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Límtes DivergentesCrestas Oceánicas

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Límites Divergentes“Rifts Continentales”

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Límites Convergentes

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Límites ConvergentesColisión Continental

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Límites Transformes¿Magmatismo?

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Magmatismo Intraplaca“Plumas del Manto” o “Puntos Calientes”

Basaltos de Columbia River

Islandia

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Microsonda electrónicaUn haz de electrones se enfoca en una pequeña área (µm) de una sección pulida y genera rayos X. La intensidad de la radiación se mide con espectrómetros de dispersión de longitud de onda. Se pueden obtener análisis multielementales de materiales geológicos en el rango de 100 ppm a 100%.

Ablación con láser Permite el muestreo directo de sólidos (vidrio volcánico, minerales, inclusiones fluidas) o polvos comprimidos por medio de un rayo láser. Acoplado a un ICP-MS permite el análisis de 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 de diámetro; 0.5-1µm de profundidad) y una fracción del material dispersado se ioniza (forma iones secundaros). Se pueden analizar rocas y secciones delgadas, o granos individuales montados, cortados y pulidos para exponer su estructura interna. Permite medir composiciones isotópicas (p. ej. Sr, Pb, U, Hf, S) y hacer análisis de elementos traza. Una de las aplicaciones importantes es el fechamiento U-Th-Pb en cristales de circón, monacita, titanita, rutilo, perovskita.

2.2.1 Análisis de rocas

Técnicas microanalíticas

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FRX ICP-AES

% %

SiO2 0.01 0.01TiO2 0.01 0.001Al2O3 0.01 0.01CaO 0.01 0.01Fe2O3 0.01 0.01K2O 0.01 0.01MgO 0.01 0.01MnO 0.001 0.001Na2O 0.01 0.01P2O5 0.01 0.01

Elementos MayoresComparación de Técnicas Analíticas

FRX: No requiere disolución de la muestra, eliminan-do problemas de contaminación por reactivos.

Límites de detección

2.2.1 Análisis de rocas

Rango de concentración de análisis

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FRX ICP-MS INAA

mg/kg mg/kg mg/kg

La 0.05 0.05Ce 0.05 1Pr 0.01Nd 0.05 1Sm 0.01 0.01Eu 0.005 0.05Gd 0.01Tb 0.01 0.1Dy 0.01Ho 0.01Er 0.01Tm 0.005Tb 0.01 0.1Yb 0.01 0.05Lu 0.002 0.01

Elementos TrazaLímites de detección Límites de detección

Comparación de Técnicas Analíticas

2.2.1 Análisis de rocas

FRX ICP-MS INAA

ppm ppm ppm

Ba 5 1 20Co 5 0.1 0.1Cr 5 0.5 0.5Cs 0.05 0.2Hf 0.1 0.2Nb 2 0.1Ni 5 0.5 50Pb 5 0.5Rb 2 0.2 10Sc 1 0.01Sr 2 0.2 100Ta 0.1 0.3Th 0.1 0.1U 0.1 0.1Y 2 0.1Zr 5 1

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Aseguramiento de calidad de datos analíticos

Para que un dato analítico sea completo debe incluir la incertidumbre de la medición.Por ejemplo: Ba 835 ± 15 ppm

Indicadores 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 aplicar repetidamente el procedimiento analítico bajo ciertas condiciones. Se puede evaluar por medio de:

Análisis repetidos de un patrón estableAnálisis de duplicadosAnálisis de adiciones conocidas a blancos o muestras.

2.2.1 Análisis de rocas

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ELEMENTOS MAYORES- Varían en un factor menor que 100

(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.

ELEMENTOS TRAZA- Tienen concentraciones que pueden

variar hasta en un factor de 1,000.- Aproximadamente 90 de los

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.

250 ~0 ppm

SiO2

MgO

2.2.2 Elementos Mayores

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Los elementos mayores controlan las fases minerales presentes a ciertas condiciones 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 químicosb. Relaciones de componentes químicos

2) Diagramas ternarios.

3) Normas que de alguna manera representan posibles modas (p. ej. CIPW).

4) Representaciones matemáticas de la información composicional

5) Modelos.

Elementos Mayores

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Diagramas de variación binarios (X-Y)

En conjuntos de rocas ígneas cogenéticas (comagmáticas), los pares de óxidos están fuertemente correlacionados.Las correlaciones o tendencias se pueden generar, de forma individual o en combinación, a consecuencia de: • fusión parcial, • cristalización fraccionada, • mezcla de magmas, o • contaminación.

Generalmente se considera que las tendencias representan el curso de la evolución química de los magmas, sin embargo es más probable que representen el promedio de las tendencias de evolución de muchos lotes de magma, los cuales muy probablemente no eran idénticos en composición dando lugar a procesos de diferenciación ligeramente diferentes para cada lote.

Debido a esto y al error analítico se observa cierta dispersión de los datos.

Posibles “tendencias”

Elementos Mayores

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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.

Elementos MayoresDiagramas de variación binarios (X-

Y)

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Diagrama TASIUGS, Le Bas et al. (1986)

Se aplica a rocas volcánicasfrescas (H2O<2% y CO2 < 0.5%)en las que no es posible determinarla composición modal.

Los análisis deben ser recalculadosal 100% en base seca (sin H2O y CO2, PPC).

Se apoya en norma CIPW.

Basalto:Basalto alcalino: ne normativaBasalto subalcalino: hy, q norm

Tefrita: < 10 % ol norm.Basanita: > 10 % ol norm.

Traquita: q < 20% en q+ab+an+orTraquidacita: q > 20% en q+ab+an+or

2.2.3 Clasificación de rocas volcánicas basada en la composición química de roca total

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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

Clasificación basada en la composición química de roca total

Series de rocas magmáticas

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Subdivisión de rocas subalcalinas

Clasificación basada en la composición química de roca total

Series de rocas magmáticas

Series shoshoníticas

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Saturación en sílice

En la norma CIPW:

Sobresaturadas: qSaturadas: hy , hy + olSubsaturadas: ol + ne

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A u m e n t a S i O / N a O2 2

Nefelina Alb itaA lb ita +Nefe lina

Alb ita +cuarzo

SUB -SATUR ADAS

SO BRE -SATUR ADASS

AT

UR

AD

AS

Clasificación basada en la composición química de roca total

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Calsificación de basaltos basada en la composición

normativa

Aum enta saturación en sílice

d i

o l h y

qzn e

Tholeitade cuarzo

Tholeita de O livino

Basalto alcalino

Bas

alto

de

oliv

ino

Basalto de hiperstena

Tetraedro de basaltos

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Saturación en alúmina

Clasificación basada en la composición química de roca total

Especialmente importante en la clasificación de rocas félsicas

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Clasificación basada en la composición química de roca total

Aum enta grado de saturación en A l

Índice de saturación en alúmina:Al2O3 / (K2O+Na2O+CaO)

Las relaciones son molares!! Dividir % en peso del óxido entre el peso molecular del óxido.

Saturación en alúmina