El origen de las rocas

Para tallar herramientas prehistóricas, necesitaremos materiales adecuados. Estos materiales no son otra cosa más que los minerales o las rocas de las que se componen.

Aquí nos ocuparemos de presentaros el origen de los distintos tipos de rocas: ígneas o magmáticas, metamórificas y sedimentarias. Para ello deberemos empezar por conocer cómo se formó nuestro planeta. He añadido ejemplos y fotografías para ilustrar todos los conceptos. Espero que os guste.

Cuál es el origen de nuestro planeta

El primer episodio del podcast empezó con el origen del universo. El hidrógeno y el polvo cósmico creado con el Big Bang, comenzó a verse atraído por la fuerza de la gravedad. Así se inició el lento proceso de acreción que desembocó en la formación de las estrellas y los planetas.

En el siguiente enlace podéis echar un vistazo a algunas simulaciones del proceso de formación de un planeta. Algo parecido ocurrió con la Tierra hace 4.600 millones de años.

Podéis escuchar esto en el corte del episodio
T01E01 – La aparición de la vida en la Tierra – Un breve resumen
Desde el minuto 2 y 02 segundos hasta el minuto 5 y 09 segundos

Así pues, queda claro que los cuerpos celestes se forman porque la fuerza de gravedad concentra el hidrógeno a altísima presión, iniciando reacciones de fusión nuclear. El parámetro clave es la masa de hidrógeno disponible para alimentar las reacciones nucleares. Si hay hidrógeno en cantidad suficiente, se formará una estrella. Pero si no llega a este umbral, la reacción no se podrá sostener en el tiempo formándose un planeta.

Las reacciones nucleares producen, además de energía, elementos pesados que son radiactivos. Estos elementos, al desintegrarse, producen mucho calor que, cuando es suficientemente intenso, pueden mantener al cuerpo celeste en un estado más o menos gaseoso. Este es el origen de los planetas gaseosos como Júpiter, por ejemplo.

Los cuatro planetas gigantes gaseosos del Sistema Solar. De arriba abajo: Neptuno, Urano, Saturno y Júpiter. Obra de la NASA [Public Domain] , via Wikimedia Commons.

Sin embargo, si el calor producido por los elementos radiactivos no es lo suficientemente intenso como para vaporizar los elementos químicos producidos por la fusión nuclear del hidrógeno, entonces se formarán los plantetas rocosos como el nuestro.

Tipos de magma

Los siguientes apartados se tratan en el corte del episodio
T02E04 – El Homo naledi y la datación de fósiles
Desde el minuto 34 y 24 segundos hasta el minuto 82 y 58 segundos

El interior del planeta es más o menos líquido, y por tanto, los elementos más densos tenderán a hundirse. Por eso, los metales más densos (como hierro, níquel, iridio, osmio y otros radiactivos), están fundidos en el núcleo más interno del planeta. Con los elementos ligeros pasará lo contrario, tenderán a flotar hacia el siguiente estrato del planeta: el manto.

Así, el manto estará formado sobre todo por elementos menos pesados que los de antes: el oxígeno, el silicio, el magnesio y el aluminio. Sin embargo, debido a las brutales condiciones de presión y temperatura, los elementos no podrán estar en forma libre, sino asociados, formando compuestos: óxidos de silicio, de magnesio y de aluminio. En ese entorno tan extremo, estos compuestos, al fundirse y mezclarse, darán lugar al fluido viscoso que conocemos como magma terrestre.

¿Qué tipos de magma existen?

Este magma, sin embargo, no es un fluido homogéneo. Dependiendo de su composición y características, tendremos distintos tipos en función de la cantidad de sílice que contengan.

Si seguís el anterior enlace, allí se habla de magmas primarios y derivados. Estos últimos, aunque son los más cercanos a la superficie terrestre, no los estudiaremos ya que se trata de magmas primarios que se han transformado. Aquí sólo nos ocuparemos de los magmas que se forman por la fusión directa de las rocas de la corteza o del manto terrestre.

Entonces, ¿de qué está hecho el magma? En la base de todo está el óxido de silicio o sílice. El sílice no es más que el óxido de silicio cristalizado. Los átomos de silicio se rodean de átomos de oxígeno formando una red muy resistente. Eso es lo que se llama, cristalización. Esa estructura cristalina es tan fuerte que, a pesar de las altísimas temperaturas que hay en el interior de la Tierra (entre 2.000 y 3.000 ºC), tan sólo hace falta que aumente un poco la presión sobre el mineral fundido para que se formen cristales sólidos.

Pero por ahí abajo el silicio no está solo, está en compañía del aluminio, del magnesio, del hierro y de otras impurezas variadas. Esos átomos van por ahí, moviéndose libremente, de forma que se cuelan por las rendijas microscópicas de los cristales y llegan, incluso, a sustituir algunos átomos de silicio dentro de esas redes cristalinas.

De este modo, aparecen lo que se conoce como aluminiosilicatos, que no es otra cosa más que sílice y óxido de alumninio combinados. Comparativamente, hay más sílice que aluminio. Sin embargo, con poco aluminio se consigue que mucho sílice se transforme en un aluminiosilicato, por lo que, al final, estos últimos compuestos son los más abundantes en el planeta.

Los otros elementos que rondan por ahí: hierro, magnesio y más impurezas, también se van a colar por las estructuras cristalinas modificándolas y dando lugar a los minerales que conocemos de forma genérica como silicatos.

Atendiendo a su composición química, los silicatos se dividirán en tres grupos: los claros, los intermedios y los oscuros. Todos van a tener una base de óxido de aluminio y sílice, junto con hierro y magnesio. Así los silicatos claros tendrán mucho sílice en comparación con hierro y magnesio. Y, al contrario, silicatos oscuros tendrán mucho hierro y magnesio, pero poco sílice.

Por tanto, en función de los minerales fundidos que acompañen al sílice, tendremos tres tipos de magma terrestre:

• Magma ácido o félsico.
• Magma intermedio.
• Magma básico o máfico.

Magma ácido o félsico

Este primer tipo de magma es el que más sílice contiene (entre un 60% y un 70%). Las rocas fundidas que lo componen están formadas mayoritariamente por dos minerales: el cuarzo y el feldespato.

El cuarzo es un silicato claro compuesto de sílice puro.

Jacinto de Compostela, una variedad de cuarzo rojo obtenido en Guadalajara (España). Obra de Luis Fernández García [CC BY-SA 2.1 ES] , via Wikimedia Commons.

La familia de los feldespatos son también silicatos claros. Se trata de aluminiosilicatos que contienen mucho potasio, sodio y calcio. Dentro de esta familia de minerales, hay un grupo importante que se denominan plagioclasas.

Las plagioclasas son feldespatos que tiene mucho sodio y calcio, pero poco potasio. Muchas veces constituyen el principal mineral que forma ciertas rocas.

Cristal del grupo de los feldespatos obtenido en la Mina Himalaya en el condado de San Diego, California, USA. Obra de Rob Lavinsky, iRocks.com [CC-BY-SA-3.0] , via Wikimedia Commons.

Magma intermedio

Las rocas que forman este tipo de magma poseen menos sílice (se estima que entre un 50% y un 60%) y en ellas abundan minerales de otra familia que estará a caballo entre los silicatos claros y oscuros. Se trata de la familia de las Micas.

Cristal de Mica del Brasil. Obra de Mauro Cateb [CC-BY-SA-3.0] , via Wikimedia Commons.

Si recordamos la red cristalina que forma los aluminiosilicatos, a veces la impureza es un átomo de hierro que altera la estructura del cristal. Después, según se incorporen átomos de magnesio, cromo, titanio u otros materiales, aparecerán las distintas familias de las Micas.

Si el mineral tiene poco hierro y poco magnesio, aparece la familia de las moscovitas que, estrictamente hablando, es un silicato oscuro, aunque pasaría perfectamente por uno claro.

Cristal de brasilianita, un tipo de moscovita. Obra de Rob Lavinsky, iRocks.com [CC-BY-SA-3.0] , via Wikimedia Commons.

Y así, según aumenta la proporción de hierro y de magnesio, se obtienen los restantes miembros de la familia de las micas, que ya pertenecen a los silicatos oscuros. Es el caso, por ejemplo, de las biotitas.

Magma básico o máfico

Según aumenta la proporción de impurezas, el porcentaje de hierro y magnesio puede ser tan grande que, hasta el sílice se ve relegado a un segundo plano. Es aquí donde empiezan los silicatos oscuros de verdad, los constituyentes de los minerales máficos. El magma constituido por este tipo de rocas posee la menor proporción de sílice (menos del 50%).

El nombre rocas máficas viene de los símbolos químicos de magnesio y hierro: Ma y Fe respectivamente, de ahí que las rocas en los que predominen el óxido de hierro o el óxido de magnesio, se denominarán máficas.

Los verdaderos minerales máficos y ultramáficos pertenecen a tres familias: los anfíboles, los piroxenos y los olivinos. Los tres minerales son mezclas de silicatos de hierro, magnesio u otras impurezas; y se caracterizan por sus colores verde oscuro e incluso negro.

Mineral de hornblenda, un tipo de anfíbol. Obra de James St. John [CC BY 2.0] , via Wikimedia Commons.

Cristal de piroxeno. Obra de Rob Lavinsky, iRocks.com [CC-BY-SA-3.0] , via Wikimedia Commons.

Arena verde, compuesta de olivino, procedente de Hawaii. Obra de James St. John [CC BY 2.0] , via Wikimedia Commons.

Capas del planeta Tierra

¿Cómo se formaron las capas o estratos que forman nuestro planeta? ¿Cómo pudo ocurrir algo tan complicado? Pues para hacernos una idea, retrocedamos en el tiempo 4.600 millones de años atrás. La Tierra se encontraba en sus estadios iniciales, en lo que se conoció como eón Hádico, Hadeico o Hadeano.

Si miramos así la Tierra, desde lejos, durante este eón Hadéico, lo que tendríamos sería una bola incandescente en rotación que está siendo bombardeada por meteoritos gigantes. En estos primeros millones de años, cuando el planeta todavía era joven, el agua estaba completamente vaporizada.

Con el tiempo, la Tierra entró en el eón Arcaico, y el vapor se condensó y se formaron los océanos, ríos y lagos. O dicho en otras palabras, se formó la hidrosfera. Eso sí, la mezcla de gases que conocemos como aire quedó en la posición más externa debido a su ligereza. Sin embargo, a causa de la de gravedad, éstos no pudieron escapar de la atracción del planeta, quedando así todos enclaustrados en este, nuestro hogar espacial.

Capas del planeta Tierra y sus características

Obra realizada por Jeremy Kemp. Basada en una ilustración del USGS [Public Domain] , via Wikimedia Commons.

Quiero hacer énfasis en este punto: en el papel de la gravedad. La gravedad es la verdadera fuerza que mantiene unido el planeta, y es la responsable de que se formen las capas del planeta Tierra: núcleo, manto, corteza, hidrosfera y atmósfera.

Ya hemos visto el papel que juega esta fuerza atractiva para formar la hidrosfera y la atmósfera, lo que quiero mostraros a continuación es que los mecanismos que forman las capas internas del planeta son muy parecidos, y que quedan ilustrados de maravilla con un sencillo experimento: la columna de densidades.

Si vertimos en un recipiente con forma de columna muchas sustancias, éstas acaban separándose en en fases, quedando entre ellas las llamadas interfases. Esta curiosa propiedad se debe a que la fuerza de gravedad atrae más hacia el centro de la Tierra a las sustancias más densas. Pues lo mismo ocurrirá con las capas internas de nuestro planeta.

Para que nos hagamos una idea de cómo transcurrió el proceso, vamos a imaginarnos una columna de densidades planetaria en la que vertemos todos los elementos que hemos nombrado antes. La mezcla estará compuesta primero por hierro y níquel fundido en una aleación al 70–30%, con impurezas de metales pesados como iridio, plomo, osmio y similares. También tendremos elementos pesados, torio y uranio, que serán radiactivos.

Después, dispondremos de la mezcla de silicatos y minerales máficos: los cuarzos, feldespatos, plagioclasas, micas, piroxenos, anfíboles y olivinos. Y, finalmente, tendremos oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno y agua. Todo ello formando una mezcla incandescente, inicialmente homogénea que, con el paso del tiempo, empezará a sufrir la separación de fases por efecto de la gravedad.

El núcleo terrestre

En el fondo de nuestra columna, en el centro del planeta, se colocará la parte de la mezcla más pesada, la aleación de níquel y hierro, el nife, cuyo nombre es un acrónimo de los símbolos químicos de estos elementos: Ni, de níquel; y Fe, de hierrro.

De repente, en esa mezcla homogénea, ocurrirá algo raro. Una nueva fase comenzará a separarse. La parte más interna del núcleo, en el mismísimo centro del planeta, estará formada por la mencionada aleación que contendrá metales pesados y elementos radiactivos. Esta primera mezcla estará sometida a una presión altísima, ya que tendrá encima el resto del planeta. Por este motivo pensamos que podría formar un único cristal esférico homogéneo que ocuparía el 36% del radio terrestre y que giraría sobre sí mismo.

En cambio, la nueva fase que aparece estaría compuesta de nuevo por la mezcla de níquel y hierro, pero con muchas menos impurezas en forma de elementos pesados. La diferencia entre ambas estará en que la nueva fase, que se denomina núcleo externo, es líquida.

El espesor del núcleo externo sería del 28% del radio terrestre, así que ambos, núcleo externo y núcleo interno, ocuparían el 64% del radio terreste… ¡Más del 60% de la Tierra es el núcleo planetario!

Paleomagnetismo terrestre

Los núcleos interno y externo están en rotación, pero no giran de forma acompasada. El giro del núcleo externo, el líquido, es el responsable del campo magnético terrestre. En cambio, el giro del núcleo interno, el sólido, lo que hace es perturbar el campo magnético que genera el primero, haciendo que su dinámica sea muy compleja.

Esto significa que la polaridad del campo magnético terrestre no es fija, sino que cambia con el tiempo y, cada muchísimos años, llega incluso a invertir su polaridad. Todo esto queda reflejado en las rocas terrestres y, de hecho, lo cuento porque este efecto será la base de un sistema de datación llamado paleomagnetismo.

Manto terrestre

Es momento de salir del núcleo recordando a los silicatos. Estos compuestos, al ser menos densos que el nife, flotarán por encima de él constituyendo el manto terrestre. Esta nueva fase ocupará los siguientes 1.217 km de espesor de la Tierra. Y con esto ya tendremos relleno el 99% del planeta. El 64% es el núcleo, interno y externo, y el 35% restante el manto.

Pero antes de continuar, reflexionemos sobre un detalle que tiene que ver con el hierro. Si dije que el hierro era denso y que por eso se colocaba en el núcleo del planeta, ¿cómo es posible que el hierro pase ahora del núcleo al manto?

Esto ocurre porque la situación que he descrito en el Eón Hadeano no es estática. En realidad, tenemos un núcleo líquido fundido a 3.500º entremezclándose con los silicatos por ahí revueltos. Para entender bien lo que ocurre vamos a volver al ejemplo de la columna de densidades.

Resulta que las fases nunca se pueden separar completamente, al 100%. En el seno de cada una de las fases siempre van a quedar impurezas de la otra. Siempre habrá una pequeñísima fracción de aceite disuelta en agua, y al contrario; una pequeñísima fracción de agua disuelta en el aceite.

Un ejemplo de esto lo tenemos con el alcohol etílico y el agua, que forman lo que se llama una mezcla azeotrópica. Es decir, se trata de una mezcla de sustancias que no pueden separarse, ni aún con destilación. Pues esto es lo que ocurre con la columna de densidades planetaria. En el núcleo hay muchos metales pesados disueltos, y resulta que parte de ellos pasan al manto en forma de impurezas.

Esas “impurezas” son, sobre todo: hierro y níquel, por supuesto, aluminio, calcio, sodio y potasio. Y también estarán el resto de metales pesados más raros, incluyendo los elementos radiactivos como el uranio, el torio y el radio, pero en cantidades residuales (residuales en términos absolutos, pero se trata de cantidades monstruosas a una escala humana, puesto que hablamos del núcleo de un planeta).

Manto terreste inferior

Recuperemos la columna de densidades planetaria. Abajo del todo se sitúa el núcleo del planeta separado en dos fases a 3.500ºC. Por encima de éste tenemos el manto terrestre, pero resulta que esta capa también se ha separado en dos fases. La primera, que es contigua al núcleo, es el manto inferior o manto interno.

Lo más interesante del manto interno es el gradiente de temperatura que se establece él. La parte más interna está a una temperatura de unos 3.000ºC debido al contacto con el núcleo externo. Sin embargo, según nos alejamos del centro, la temperatura va disminuyendo hasta llegar a unos 1.000ºC.

El manto interno es una región muy viscosa. No llega a ser sólida, pero tiene una plasticidad realmente baja. Esto se debe a que las rocas fundidas están compactadas por la presión a la que están sometidas.

Manto superior

La frontera entre manto externo e interno se sitúa casi a medio camino de ambas. Esto significa que, el manto interno ocupará el 17% del radio terrestre y el externo el 18%, de forma que ambos mantos, externo e interno harán el 35% del radio terrestre, tal y como habíamos dicho.

El manto superior sigue presentando un gradiente de temperatura pero, al estar en contacto con la superficie del planeta, el rango de temperatura estará entre los 1.000ºC de la base y los 400 ó 500ºC de la parte superior, la contigua a hidrosfera y atmósfera, a temperatura ambiente.

Entonces, ¿qué es lo que ocurre cuando tenemos un fluido sometido a un gradiente de temperatura? Pues exactamente, lo mismo que pasa cuando ponemos agua a hervir en un cazo.

El fuego calienta el fondo del cazo metálico, el recipiente transmite el calor a la capa de agua adyacente y esta se calienta. Como la densidad del agua disminuye la temperatura, esta capa de agua más ligera flotará hacia arriba.

Es lo mismo que las corrientes marinas. En ese episodio dije que cuando un algo se mueve hacia un sitio, otro algo de ese sitio tiene que moverse para ocupar el espacio dejado. Pues bien, si una capa de agua caliente sube, su lugar debe ser ocupado por la capa de agua fría que hay por encima. El agua caliente sube, la fría baja.

Al final, lo que ocurre es que se forma una burbuja de agua caliente que se dirige hacia la superficie, empujando al agua fría de alrededor hacia abajo.

Este fenómeno se conoce como corrientes de convección y explica la formación de burbujas en el agua hirviendo y la formación de corrientes térmicas en el aire de la atmósfera, entre otros fenómenos.

Pero también ocurre algo parecido en el manto externo de la Tierra. Con una diferencia, eso sí. En el manto no hay agua, lo que tenemos es una masa viscosa de magma terrestre.

Corrientes de convección en el interior de la Tierra. Obra de la Surachit [CC BY-SA 3.0] , via Wikimedia Commons.

En el interior de la Tierra se forman corrientes de convección que suben con una lentitud extrema. Despacio, la roca mineral fundida se acerca a la superficie en un proceso que puede durar centenares de miles de años.

De este modo, bajo nuestros pies, tenemos corrientes de minerales de cuarzo, micas, feldespatos, olivinos, piroxenos y anfíboles intentando salir a cámara lenta del interior del planeta.

Pero justo en el límite entre el manto y la atmósfera, donde se forma esa interfase que ocupa el 1% del radio del planeta, y que conocemos como corteza terrestre, las corrientes de convección se frenan.

La corteza terrestre

Hagamos un poco de memoria. Habíamos dicho que los elementos químicos ligeros (oxígeno, silicio, magnesio, aluminio y otros más) originados por las reacciones nucleares, no podían existir en forma libre. Estos elementos se combinaban entre sí, normalmente alrededor del silicio, dando lugar a los minerales conocidos como silicatos. Pues bien, los silicatos son la base de las rocas minerales y por ende, de la corteza del planeta.

No deja de ser curioso el hecho de que los planetas rocosos reciben su nombre a causa de la composición de su corteza, la única parte verdaderamente sólida, que ocupa tan solo el 1% final del radio planetario. En el caso de la Tierra, la corteza continental abarca los últimos 33 km. La oceánica, en cambio, tiene un espesor de tan solo unos 8 km.

Pero, ¿cómo se forma esa corteza? Pues es evidente que lo hace a partir del magma terrestre solidificado, pero esto proceso ocurrió de una forma especial.

En un primer momento, el magma cercano a la superficie estaba a 400 o 500ºC. En cambio, la atmósfera estaba a temperatura ambiente. Al acercarse a la superficie, la mezcla de minerales comenzó a enfriarse rápidamente dando lugar a las primeras rocas sólidas del planeta.

A estas rocas primigenias les pasó lo mismo que al hielo. Éste, cuando cristaliza disminuye su densidad, por lo que los cubitos se quedan flotando en la superficie. De manera análoga, cuantas más rocas se formaban por enfriamiento en la superficie del planeta, más flotaba esa masa sobre el magma del manto externo del planeta. De este modo se formó lo que se conoce como corteza primaria o primordial. Desgraciadamente poco podemos decir de ella porque desapareció hace mucho tiempo.

Según el libro Orígenes: Cómo la historia de la Tierra determina la historia de la humanidad, de Lewis Dartnell, esta primera corteza no cubrió la superficie terrestre de manera homogénea, formando una costra de una sola pieza. En realidad, la corteza primigenia era “como una cáscara de huevo quebradiza” que encerraba “el manto, más cálido y viscoso”, que había debajo. Esta cáscara estaba “resquebrajada, fragmentada en muchas placas separadas que recorrían la faz del planeta.”

Y éste es el origen de las placas tectónicas. “[…] Las placas tectónicas son como balsas que se empujan constantemente unas a otras, mientras se mecen sobre el manto caliente y agitado, y cabalgan a merced de sus corrientes.”

Pero antes de meternos con lo que les pasa a las placas tectónicas debemos contar el destino que tuvo la corteza primaria. Resulta que los impactos de meteoritos que cayeron sobre la Tierra durante el eón Hadeico acabaron con la mayor parte de esta costra inicial. El resto desapareció por la erosión del agua y del aire que había en la superficie.

Este concepto es muy importante. Las rocas que están en la superficie están sometidas a la erosión química y de los elementos: del viento, del agua y del movimiento de las placas tectónicas.

Pero antes de desaparecer, la corteza primordial cumplió una misión fundamental e importantísima. Y es que, gracias ella, en el interior de la Tierra, se creó un entorno protegido de la erosión de la superficie: una especie de “efecto caja”. El resultado final es que la masa primigenia de rocas actuó como tapón o paraguas que permitió la existencia de unas condiciones especiales debajo de ellas.

Claro, con la creación de estas cajas, las corrientes de convección del manto terrestre -esas burbujas de minerales fundidos que ascienden a cámara lenta- de repente, ya no llegan a la superficie, sino que alcanzan las inmensas bóvedas o cavidades que la corteza primaria ha creado y que lo que hacen es precisamente encajar el magma.

Lo que le ocurre al magma es que queda metido en una caja, y como todavía está lejos de la superfice, su temperatura se mantiene relativamente alta. Así, se logra un enfriamiento lento y a gran presión. Por tanto, resulta que la mezcla viscosa de los minerales que componen el magma: cuarzos, feldespatos, plagioclasas, micas, piroxenos, olivinos y anfíboles; al llegar a esas bóvedas subterráneas donde queda encajada, se empieza a enfriar muy despacio y los minerales comienzan a cristalizar.

Como el enfriamiento es lento se van formando grandes cristales de cuarzo, visibles a simple vista, de micas, de plagiolasas y demás, todo ello dando como resultado lo que se conoce como rocas ígneas o plutónicas.

merda

Tal y como conté en el episodio del Homo naledi, hace 4.600 millones de años, se formó la Tierra

El Homo naledi y la datación de fósiles

Podéis escuchar esto en el corte del episodio
T02E05 – El Paleolítico medio
Minuto 34 y 36 segundos

De esta época tan sólo conservamos vestigios en el interior de algunos cristales de zircón depositados en una región remota de Groenlandia. Gracias a su estudio sabemos que la Tierra tuvo atmósfera y agua desde el principio, y que toda la materia contenida en el planeta se encontraba en estado líquido o gaseoso debido a las altísimas temperaturas. Sin embargo, por la fuerza de la gravedad, ni siquiera los gases podían escapar al espacio exterior. Algo que sí ocurrió con otros planetas más pequeños.

Durante el eón Arcaico, la atmósfera y la superficie del planeta comenzaron a enfriarse poco a poco, lo que permitió que el agua cambiase a estado líquido cubriendo la superficie de la Tierra con un enorme océano.

El núcleo del planeta seguía siendo una masa incandescente compuesta por una aleación de níquel y hierro. De ahí que se conozca como NiFe, un nombre derivado a partir de los símbolos químicos de estos dos elementos.