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La ecosfera. La litosfera

ECOLOGIA DE SISTEMAS 2001/2 Rocío Fernández Alés

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11. La Litosfera

Estructura de la litosfera. Partes que la forman: corteza continental, corteza oceánica.Manto superior. Astenosfera. Características. Estructura. Isostasia.

Composición química de la litosfera. Minerales y rocas. Rocas ígneas y sedimentarias.

Dinámica de la litosfera: Movimientos ligados a la dinámica interna de la tierra:tectónica de placas. Fuentes energéticas. Movimiento de las placas a lo largo de lahistoria de la tierra. El ciclo supercontinental. Efecto de la disposición de tierras y maressobre la dinámica de las envolturas fluidas del planeta.

La corteza continental: dinámica relacionada con la tectónica de placas. Dinámicarelacionada con la erosión y la isostasia. Interacciones con el clima. Bucles derealimentación.

El ciclo litosférico. Transformaciones químicas de los materiales terrestres.Meteorización. Transporte. Sedimentación. Metamorfismo y fusión. Emisiones devolátiles. Fabricación de nueva corteza. Emisión de volátiles. Vulcanismo y su efectosobre el clima. Relación con el ciclo supercontinental.

El ciclo geoquímico del C.

Lecturas recomendadas

Dinámica terrestre . Investigación y Ciencia. Temas 20.

Berner, R.A. & Lasaga, A.C. Modelización del ciclo geoquímico del C. La atmósfera.Investigación y Ciencia. Temas 12. Pp 87 – 95.

Schlesinger, W. H. (2000). Biogeoquímica. Ariel. Cap. 4.

Strahler, A. N & Strahler, A. H. (1989). Geografía física. Omega. Caps 12, 13, inicio17.

Martín Chivelet, J. (1999). Cambios climáticos. Ediciones libertarias. Cap. 11.

Cuestiones

1. Por el borde convergente de la placa arábica ha subducido el golfo pérsico y todossus yacimientos petrolíferos. ¿Qué consecuencias cree que puede tener esto sobre elbalance de radiación de la tierra?.

2. Dentro de muchos millones de años la energía procedente de la desintegraciónradiactiva se agotará. ¿Qué consecuencias tendrá sobre el funcionamiento de laecosfera?.

3. Haga un esquema de los efectos que tiene la tectónica de placas sobre el balance deradiación de la tierra. En que aspectos del balance de radiación incide la litosfera.De que manera les afecta. A que escala temporal actúan.

4. Haga un esquema de cómo esperaría que cambie el clima en relación con el ciclosupercontinental.

5. La actividad humana incrementa el C en la atmósfera quemando materia orgánica yfabricando cemento. Según el IPCC esto está cambiando el clima y la sociedad lopercibe como “malo para la naturaleza”. Ponga estos cambios asociados al hombreen el contexto del ciclo geoquímico del C. Desde esta perspectiva, la actividadhumana ¿ es “buena” o “mala” para la naturaleza”?.



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Estructura vertical de la litosfera (Strahler & Strahler, 1989 pag 222). La litosfera essólida y rígida, y está compuesta por dos capas: la corteza y el manto superior. Reposasobre otra capa del manto, la astenosfera, que está muy caliente y es plástica. El límiteentre la corteza y el manto es nítido (discontinuidad de Mohorovicic o Moho) ycorresponde a un cambio brusco en composición química. El manto está formado porrocas ultramáficas, muy densas (3,3 g/cm .3), mientras que la corteza está formada porrocas máficas (basaltos, 3 g/cm3) y félsicas (granitos, 2,7 g/cm3). Se pueden distinguirdos tipos de corteza, oceánica y continental, que difieren entre sí en densidad, grosorcomposición química y duración. La corteza oceánica es basáltica, más densa, tiene ungrosor medio de 10 km y se extiende bajo los fondos oceánicos. No dura mas de 200millones de años. La corteza continental es más heterogénea, con rocas sedimentarias,ígneas y metamórficas, tiene un grosor de hasta 70 km y se extiende por los continentesy plataformas continentales. Su edad va de 0 a 3800 millones de años. En la parte másexterna de la litosfera están los sedimentos, rocas menos densas que son el resultado dela interacción de la litosfera con los otros subsistemas (atmósfera, hidrosfera y biosfera).

Limite entre la litosfera y la astenosfera enun corte vertical exagerado verticalmente(arriba) y otro sin exagerar (abajo). Ellímite no es abrupto, sino un gradiente detemperatura. Se considera que el límite estáen los 1300 ºC (Molnar, 2000).



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Distribución de la superficie de la litosfera por zonas de altitud en %. La cortezacontinental ocupa las zonas más elevadas: las tierras emergidas y las plataformascontinentales del océano, alrededor del 45% de la superficie total. El límite entre lacorteza continental y oceánica está mal definida al estar cubierta de sedimentos.

ISOSTASIA

La corteza, menos densa y rígida, se apoya en la astenosfera, más densa y elástica. Lalitosfera “flota” sobre la astenosfera.

Excepción a la compensaciónisostática: Si la astenosfera estámuy caliente tiende a subir,levantando la litosfera (Burchfiel2000)

Modelo de Airy

Modelo de Veinig-Meinesz

Si la litosfera es muy gruesa lacompensación isostática es regional. Todala región se comba como un tablón con unpeso encima (Molnar 2000)



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Composición química

Rocas Igneas: Solidificación de magma procedente del interior de la tierra. La densidadaumenta al descender porque disminuye el Si y aumentan átomos mas pesados. Los másligeros solidifican a temperaturas más bajas. (Strahler & Strahler, 1989)

Rocas sedimentarias: interacción de rocas ígneas con las envolturas fluidas.

ClásticasTransformación física: troceadoTransformación química: arcillas

No clásticasTransformación química: minerales denueva creación en superficie

Sedimentos piroclásticos : material deerupciones volcánicasSedimentos detríticos : disgregación derocas:Conglomerados (trozos > 2 mm)Areniscas (trozos 2-0,2 mm)Esquistos-pizarras (trozos < 0,2 mm)

Calcita: Ca CO3Dolomía: CaMg (CO3)2

Anhidrita: Ca SO4Yeso: Ca SO4 – 2 H2OHalita: NaClHematites: Fe2O3Calcedonia: SiO2

Carbón, Petróleo, Gas: CH2OCreta: esqueletos organismos

De Strahler & Strahler (1989).

Mg

Al



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Dinámica de la litosfera

Entre la superficie y el interior de la tierra existe un gradiente de temperatura paralelo ycon el mismo sentido que la gravedad. Se establecen celdas convectivas que mezclan losmateriales del manto. Esto es posible porque las rocas están fundidas y son plásticas.Estas celdas convectivas mueven la litosfera, que flota sobre el manto, y que es rígida yestá dividida en placas independientes.(Siever 2000).

Transformaciones energéticas en el interior de la tierra. (Strahler &Strahler 1989. Pag245). La energía que mueve todo el sistema proviene de la descomposición radiactiva delos materiales terrestres. Es un sistema que decae, ya que cuando todos los elementosradiactivos se descompongan la emisión de energía cesará y el sistema se parará.

Rocacaliente

Rocafría

Rocacaliente

Rocafría

G Tª



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Principales placas litosféricas y sus límites (Francheteau 2000)

Borde divergente Borde convergente Falla transformante Movimiento

Tectónica de placas

(Martín Chivelet, 1999)



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Los movimientos de las placas litosféricas da lugar a cambios en la posición decontinentes y océanos en el tiempo: Deriva continental (Siever 2000).

La posición relativa de tierras y mares afecta a la circulación oceánica y al albedoterrestre, y como consecuencia, al clima.

Proterozoico

Cretácico

Jurásico

Carbonífero

Devónico

Ordovícico

Véndico

Holoceno

La glaciación del Proterozoico sepuede explicar en parte por laposición ecuatorial de loscontinentes, que incrementa elalbedo de la tierra. Si estos secubren de hielo el albedoincrementa sustancialmente.



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El movimiento de la corteza terrestre sigue un comportamiento ordenado: cada 500millones de años aproximadamente la corteza continental se congrega en unsupercontinente, que posteriormente se disgrega, para volver a reunirse al cabo deltiempo. (Murphy & Nance 2000).



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Dinámica de la corteza continental

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 adición de nuevosmateriales procedentes de las rocas que subducen bajo la corteza continental, pormateriales calientes procedentes del manto que se abren paso a través de los continentesy por la adición de arcos volcánicos o fondos marinos que chocan con los continentespor la acción de la tectónica de placas. (Tailor & McLennan 2000). El crecimiento no escontinuo, sino episódico, y esto se relaciona con el ciclo supercontinental. Cuando elsupercontinente ha llegado a su máxima dispersión la corteza oceánica alcanza sumáximo envejecimiento y, por consiguiente, tiene las mayores posibilidades de formarnueva corteza continental una vez que subduzca. Cuando los continentes convergen denuevo parte de la corteza oceánica pasa a ser corteza continental con el plegamiento.

La corteza continental es rugosa, con altitudes muy variadas. Los materiales a mayoraltitud tienden a caer por acción de la gravedad, almacenándose en las zonas bajas. Lainteracción con la atmósfera e hidrosfera aceleran la caída de los materiales, puesfavorecen la disgregación y transporte. Las montañas, al perder materiales pierden peso,y por efecto de la isostasia tienden a levantarse. Las zonas donde se acumulan lossedimentos ganan peso, y tienden a hundirse. Esto genera un reciclado de los materialesde la corteza. (Strahler & Strahler, 1989).



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El ciclo levantamiento- erosión – sedimentación interactúa con la atmósfera y labiosfera (vegetación). Da lugar a bucles de realimentación de diferente signo que actúana tiempos diferentes, y cuyo resultado puede dar lugar a comportamientos complejos.

En los últimos 40 millones de años se ha asistido a un progresivo enfriamiento de latierra, junto a un periodo tectónico especialmente activo que ha formado muchasmontañas. ¿Cuál es la causa y cual el efecto?.

ALTITUD

ErosiónElevación

Fuerzastectónicas

+

+

+

-

-

Peso+-

-

lluviaVegetación

Sombrade lluvia

+

+

-+

+ --

+

+

Incremento de la orogénesispor tectónica de placas

altitud media de loscontinentes

glaciares de montaña

albedo

temperatura

precipitación

erosión y transporte

+

+

-+

+

-

+

+

Modificación de la circulación de lasenvolturas fluidas por tectónica de placas



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CAMBIOS QUÍMICOS EN LA LITOSFERA. EL CICLOLITOLÓGICO.

Ciclo litológico. Propuesto por Hutton hace casi 200 años. Los movimientos verticalesde los materiales en la litosfera continental van acompañados de cambios enpropiedades físicas y composición química. (Siever 2000).

CAMBIOS QUÍMICOS ASOCIADOS AL CICLO LITOLÓGICO.

§ Meteorización. Reacción de las rocas con la atmósfera e hidrosfera.Cambios en composición química

§ Erosión y transporte. Desplazamiento de materiales

§ Sedimentación. Acumulación de materiales

§ Metamorfismo y fusión. Cambios en composición química. Expulsiónde gases.



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METEORIZACIÓN. Reacción de las rocas con la atmósfera e hidrosfera

100 kg de rocas + 15,5 kg de CO2 O2 H2O 113 kg minerales + 2,5 kg de sales

CO2 + H2O - ↔↔ H+ + HCO3- ↔↔ H2CO3

Rocas ígneas + H2CO3 + H2O →→ Cationes (Na, K, Ca, Al, Mg, Fe, Mg) + Sílice + Arcilla + HCO3-

CaCO3 + H2CO3 →→ Ca++ + 2 HCO3-

4 FeS2 + 8 H2O + 15 O2 →→ 2 Fe2 O3 + 16 H+ + 8 SO4=

Ca5 (PO4)3 OH + 4 H2CO3 →→ 5 Ca++ + 3 HPO4= + 4 HCO3

- + H2O

Los productos de todas estas reacciones (cationes, P etc.) son fuente de materiales parala biosfera. Nótese la ausencia de N.

Factores que controlan la meteorización

Meteorización y actividad biológica (Schlesinger 2000). La respiración del sueloincrementa la [`CO2] y por ello la meteorización. Además, lo ácidos orgánicos quedesprenden plantas y microorganismos atacan a los silicatos y enzimas que meteorizanlos fosfatos. A mayor actividad biológica, estimada a través de la ETP (que secorrelaciona positivamente con la biomasa y PPN), mayor es la [`CO2] en el suelo.Mayor es la meteorización.

Meteorización y clima(Schlesinger, 2000)



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La relación que mantiene la biosfera con la litosfera a través de la meteorización es unarelación crecimiento-colapso, cuyo colapso está muy retardado (escala de tiempogeológico) por el reciclado de nutrientes a través de la necrosfera.La erosión puede mantener el sistema en crecimiento al permitir una “entrada” continuade rocas, pero la biosfera limita la erosión al retener materiales con las raíces.

EROSION Y TRANSPORTE

La biosfera evita la erosión. Se estima que antes de la invasión de los continentes por labiosfera la erosión mecánica podría ser 4 veces superior a la actual.

Perdida anual de materiales de lo continentes

Schlesinger 2000.

Biosfera

meteorización

Producción

RocasErosión

Erosión

nutrientes

++



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SEDIMENTACIÓN.

Rocas sedimentarias:

ClasticasTransformación física: troceadoTransformación química: arcillas

No clasticasTransformación química: minerales denueva creación en superficie

Sedimentos piroclásticos : material deerupciones volcánicasSedimentos detríticos : disgregación derocas:Conglomerados (trozos > 2 mm)Areniscas (trozos 2-0,2 mm)Esquistos-pizarras (trozos < 0,2 mm)

Calcita: Ca CO3Dolomía: CaMg (CO3)2

Anhidrita: Ca SO4Yeso: Ca SO4 – 2 H2OHalita: NaClHematites: Fe2O3Calcedonia: SiO2

Carbón, Petróleo, Gas: CH2OCreta: esqueletos organismos

Los materiales producto de la meteorización reaccionan entre sí y precipitan, formandolas rocas no clasticas.La sedimentación se produce fundamentalmente sobre la plataforma continental. Soloun pequeño porcentaje de los sedimentos pasan a las cuencas oceánicas profundas(litosfera oceánica).

FUSIÓN Y METAMORFISMO.

En las condiciones de alta presión y temperatura de la parte profunda de lalitosfera los materiales sedimentarios reaccionan entre sí, dando de nuevo rocas ígneas.

CO3Ca, Mg + Sílice →→ Silicatos + CO2

Los elementos volátiles vuelven a la superficie por los volcanes, completándose el ciclo.

VOLCANES

Emisión devolátiles

KudryavyRusia

Nevado de Ruiz,Colombia

KamchatkaRusia

Unidades % moles % peso % volumenH2O 95,0 94,9 78,6H2 0,56 3,01CO2 2,0 2,9 4,9SO2 1,3 2,7 0,03SH2 0,4 0,8 0,2ClH 0,4 0,005 0,6N2 0,2 11,9NH3 0,1O2 0,003 0,01CH4 0,002 0,4

Composición de gases volcánicos en % de peso. Schlesinger 2000.



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FORMACIÓN DE NUEVA CORTEZA.

La solidificación de los materiales del manto que crean nueva corteza oceánicada lugar a cambios químicos y a la emisión de volátiles.

Material del manto →→ Basalto + gases

Gases volátiles de los magmas en % en peso(Strahler & Strahler 1989 pag 210)

Compuesto Gases de los volcanesMauna Loa y Kilaunea

Volátiles en la atmósfera ehidrosfera

Agua H2O 60 93Carbono CO2 24 5,1Azufre S2 13 0,13Nitrógeno N2 5,7 0,24Argón A 0,3 IndiciosCloro Cl2 0,1 1,7Hidrogeno H2 0,004 0,07

Estos volátiles son el origen de la atmósfera e hidrosfera actual. Los que faltan están enlos sedimentos de la litosfera.

Las erupciones volcánicas son episódicas y producen un fuerte impacto sobre el clima.El impacto es a corto plazo (dias-años). Periodos con actividad volcánica continuadapueden tener efectos a mas largo plazo.

Los volcanes emiten grandes cantidades de CO2, gas invernadero, por lo que unaactividad volcánica continuada puede incrementar la temperatura de la superficieterrestre. El calentamiento en el mesozoico se asocia a la disgregación de Pangea. Laapertura de un océano implica la activación de la formación de corteza oceánica,incrementándose la emisión de CO2 en las nuevas dorsales. La salida del C a laatmósfera está condicionada por la mezcla oceánica. Si el océano no se mezcla el CO2

se acumula en el océano y sale de repente cuando la mezcla se produce. Se ha propuestocomo hipótesis para explicar la extinción a finales del Cretácico.



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RELACIÓN ENTRE LA DINÁMICA DE LA LITOSFERA Y EL CO2

Disgregación supercontinente → actividad magmática oceánica ↑ → CO2 ↑

Máxima disgregación → Subducción ↑ → CO2 ↑

Formación de supercontinente → Nueva roca para erosionar → CO2 ↓

CICLO GEOQUÍMICO DEL C (Berner & Lasaga)

El ciclo litológico controla el balance de radiación de la tierra a través del reciclaje delC, que es un gas invernadero



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