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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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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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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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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