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El Manto y El Núcleo –  ¿Origen y composición del sistema solar?

 –  ¿Qué procesos ocurren en el interior de la tierra? –  ¿Cómo utilizamos las herramientas geou!micas para estudiar el

interior de la tierra?

 –  ¿Cómo identi"icamos las heterogeneidades del manto y cu#l es su

relación con las rocas $olc#nicas?

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Cosmou!mica y el Origen de la %ierra

& ¿Cómo se "ormó la tierra? ¿Cu#l es su composición?

& 'ara responder a estas preguntas es necesario acercarse a algunosconceptos astronómicos y cosmou!micos

& Cosmou!mica( Estudia el origen y distri)ución de los elementos en elcosmos y sistema solar*

& +a composición de la tierra es única y conocerla depende de( –  'rocesos responsa)les de la creación de elementos ,nucleos!ntesis-

 –  'rocesos in$olucrados en la "ormación del sistema solar 

 –  'rocesos in$olucrados en la "ormación y di"erenciación de la tierra

'ero y al principio*** ¿Cómo se "ormaron los elementos?

&  Nuestro conocimiento so)re esta pregunta pro$iene de la o)ser$ación

de las estrellas y de los meteoritos*

.

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+a /ran E0plosión ,1ig21ang-& 3l principio no ha)!a ni espacio ni tiempo4 y las leyes de la

"!sica ue conocemos no pod!an ser aplicadas**** %oda la materiaesta)a condensada en un punto de densidad in"inita llamada

5singularidad6& El uni$erso comienza hace 782.8 /a con una gran e0plosión de

la singularidad ,)ig2)ang-*& +a e0plosión "ormó únicamente #tomos de 94 9e y un poco de

+i4 pero las temperaturas al inicio eran tan altas ue no era posi)le "ormar elementos m#s pesados

& ¿Qué e$idencias ue con"irman la e0istencia del 1ig21ang?

:

/eorges +emaitre ,7;-E0plosión tomo 'rimigenio

@adiación de Microondas Cósmicas,MicroAa$e Cosmic 1acBground @adiation-

E0pansión 9u))le

EdAin 9u))le ,7;;

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 Nucleos!ntesis 'oligenética& +os únicos elementos "ormados durante los primeros :88 segundos del 1ig21ang

"ueron 9 y 9e ,y un poco de +i-*& 'osteriormente la materia e0perimentó una serie de inesta)ilidades gra$itacionales

ue lle$ó a la "ormación de gala0ias*& El colapso de cúmulos moleculares dentro de las gala0ias permitió la "ormación de

las primeras estrellas& El resto de los elementos tienen4 de hecho4

 su origen en las estrellas(

 Nucleos!ntesis Estelar( +os elementos ligeros ,D7=-se sintetizan dentro de las grandes estrellas durantelas "ases "inales de su e$olución

 Nucleos!ntesis e0plosi$a( +os elementos m#s

 pesados ,DF7- se "orman cuando las estrellasmasi$as agotan su com)usti)le nuclear y e0plotan"ormando superno$as

Espalación de rayos cósmicos( +i y 1e se "ormanmediante la interacción de rayos cósmicos y materia

en el medio intergal#ctico Ne)ulosa de Orión ,%elescopio 9u))le-

=

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3)undancia de los Elementos en el Gistema Golar & El

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El Origen del Gistema Golar 

 Ne)ulosa de la +aguna ,%elescopio 9u))le-

Kmmanuel Lant ,7.=27;8=-

>

El Gistema Golar se "ormó a partir de material interestelar ue 3 ha)!a sido procesadoy sintetizado por otras estrellas*** e otra "orma4 no e0istir!a material disponi)le

 para "ormar los planetas rocosos*El material primigenio esta)a "ormado por gases y pol$o ue colapsaron gra$itacionalmente"ormando un disco ,idea propuesta inicialmente por Lant-

El centro del disco se so)recalentó y se "ormó el sol

+as partes e0ternas del disco comenzaron a condensarse y a "ormar

 planetasado ue el disco se "ue aplanando con el tiempo4 todos los planetas

rotan so)re el mismo plano4 a e0cepción de 'lutón ¿capturado? ¿No planeta?

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+os meteoritos son la cla$e del pasado m#s remoto

M e t e o r i t o s m e t á l i c o s( n ú c l e o s d e p l a n e t e s i m a l e s )

M e t e o r i t o s m e t á l i c o - r o c o s o s( M e z c l a s e n t r e F e - N i y r o c a )

A c o n d r i t a s B a s á l t i c a s( C o r t e z a d e p l a n e t e s i m a l e s )

C o n d r i t a s O r d i n a r ia s( T i e n e n C ó n d r u l o s C A ! s m e t a l m a t r i z )

C o n d r i t a s C a r " o n a c e a s( # r i m i t i$ a s r i c a s e n $ o l á t i l e s t ie n e n C A ! s )

  ¿   V   i   d  a  e  n   M  a  r   t  e   ?

'alasita

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@elación Gol2Condritas Car)on#ceas

& +as condritas tienen una composición muy similar a la del Gol4e0cepto en los elementos m#s $ol#tiles ,C4 94 O4 N4 9e- y por lo tanto

representan una )uena apro0imación a la composición del sistemasolar*

;

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Polatilidad y % de Condensación<

& +os materiales sólidos se condensan a partir de lane)ulosa solar con"orme la temperatura desciende

& +a distri)ución de los elementos en el Gistema Golardepende de su $olatilidad4 medida como 8H de sutemperatura de condensación ,R7>;8 L para 3l y R: L

 para el 9e-*& +a composición "inal y el tamaSo de los planetas es

"unción de su posición en la ne)ulosa solar,R%emperatura-

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Conclusiones Cosmou!micas

& E0isten su"icientes e$idencias para asegurar ue las condritascar)on#ceas son el punto de partida del sistema solar* Esto implica

ue( –  +a ne)ulosa de)ió ser relati$amente homogénea –  El sistema solar de)ió "ormarse de "orma m#s o menos simult#nea ,en términos

geológicos4 R788 Ma-

 –  +a presencia de acondritas y meteoritos met#licos con edades semeJantes a lasde las condritas4 indica ue la di"erenciación de los protoplanetas de)ió ocurriren etapas muy tempranas de la historia del sistema solar*

 –  131K =*= /a –  C9T@ =*> /a

 –  /eochron =* /a

78

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(refractarios

)

(volátiles)

(siderófilos &

calcófilos)(litófilos) (atmófilos)

(pérdidas porimpactos)

Nebulosa Solar

Condensación y Acreción

Núcleo Tierra Silicatada Atmósfera Primitiva

Núcleo

Interno

Núcleo

Externo

Manto Primitivo Luna

Manto InferiorManto Superior

Corteza Continental

Corteza Oceánica

Oceanos y Atmósfera

Actuales

¿flujo

cometario?

Fusión parcial;

coeficientes de partición

Tectónica de Placas:

fusión y reciclaje

Nucleosí ntesis

Equilibro Gases-Sólidos

(fusión, gravedad, afinidad geoquí mica)

EnfriamientoImpacto

Catastrófico

Plumas del Manto

Desgasificación

Desgasificación

+a E$olución de la %ierra7.

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Estudiando el Knterior de la %ierra& +a estructura "!sica y la composición del interior de la tierra se puede

determinar mediante(

 –  Estudio de 0enolitos del manto yUo macizos peridot!ticos

 –  Estudio geou!mico y petrológico de rocas magm#ticas ue son el producto de la "usión parcial del manto

 – 'etrolog!a e0perimental –  Estudio de Meteoritos

 –  Métodos geo"!sicos

& e)ilidades de los métodos indirectos( –  +a geo"!sica sólo tiene acceso al presente

 –  +a geou!mica sólo tiene acceso a la

super"icie

 Tiempo

       P      r      o       f      u      n       d       i       d      a       d

?     / 

    e      o 

      "      ! s 

      i    c      a 

/eou!mica

7:

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1asaltos como una $entana al manto terrestre

& ¿Concentración de elementos mayores? No mucho* +os procesos de "usión parcial y

cristalización modi"ican los elementos mayores de una "orma muy complicada* Gu$ariación es di"!cil de cuanti"icarV

& ¿Concentración de elementos traza? %ampoco tanto* Gon "unción del mecanismo de"usión yUo cristalización y de la composición de la "uente* 'or lo tanto son di"!ciles

de modelar con e0actitud***

& ¿@elaciones entre elementos traza? GK*** 3 ni$eles moderados de "usión parcial4 larelación entre elementos incompati)les nos permiten conocer las caracter!sticascomposicionales de la "uente* 3dem#s4 las relaciones entre elementos traza

incompati)les NO se modi"ican de manera signi"icati$a durante la cristalización*

& ¿@elaciones isotópicas? %3M1KWN*** +as relaciones isotópicas de una rocamagm#tica re"leJan las caracter!sticas de la "uente ,a menos ue e0ista

contaminación yUo mezclas-* 3dem#s4 la relación entre los isótopos padres eisótopos hiJos nos pro$ee de in"ormación so)re el tiempo de residencia* 7=

7

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Composición del Manto y de la %ierra Gilicatada& Cualuier estimación de la composición del manto ,y de la tierra

silicatada- de)e e0plicar satis"actoriamente(

 –  +a $ariación composicional o)ser$ada en los 0enolitos y en los macizos peridot!ticos

 –  +as $elocidades s!smicas y las densidades relati$as o)ser$adas por los métodosgeo"!sicos

 –  Tna e$olución a partir de una composición condr!tica

 –  Gu "usión parcial de)e producir un )asalto

@ocas Tltram#"icas Pelocidades G!smicas

7

C i ió d l M ' i i i7>

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Composición del Manto 'rimiti$o& +a composición del manto primiti$o ,i*e* tierra silicatada- ha sido interpretada a partir de las

condritas car)on#ceas y de los 0enolitos peridot!ticos ,i*e* Mconough y Gun4 7

C i ió d l M ' i i i7

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Composición del Manto 'rimiti$o

& +as relaciones entre elementos re"ractarios de las peridotitas terrestres cruzan los$alores o)ser$ados en las condritas

& Esto indica ue el manto de)ió e$olucionar a partir de una "uente cuya composición

tu$o proporciones condr!ticas en los elementos re"ractarios*'or lo tanto es posi)le calcular la composición a)soluta de elementos

re"ractarios en el manto primiti$o

+as $ariaciones o)ser$adas en las peridotitas de)enre"leJar únicamente un empo)recimiento pore0tracción de magmas para dar origen a la corteza

7

C i ió d l M ' i i i7;

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Composición del Manto 'rimiti$o

& +a proporción condr!tica se rompe en los elementos $ol#tiles y sideró"ilos(

 –  Empo)recimiento en $ol#tiles( 'ro)a)lemente relacionado con altastemperaturas en las porciones internas de la ne)ulosa solar ue impidió su

condensación* tal $ez incrementado por )om)ardeo de meteoritos en lasépocas tempranas*

 –  Empo)recimiento en sideró"ilos( Gegregación temprana hacia el núcleo

7;

@)UGr ,marte-F@)UGr ,tierra-

@)

Gr 

E t t Mi ló i d l M t7

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Estructura Mineralógica del Manto& +a paragénesis mineralógica del manto cam)ia con"orme aumenta la presión(

& En los primeros .88 Lm los únicos cam)ios importantes ocurren enlas "ases aluminosas(

& :8 Lm( 'lagioclasa 2F Espinela& >828 Lm ,Dona de %ransición-(

& =88 Bm( oli$ino α 2F oli$ino β ,Aadseleyita-

& 88 Bm( Aadseleyita 2F oli$ino γ  ,ringAoodita-

& >>8288 Lm ,Knicio del Manto Kn"erior-(

& /ranate Mayor!tico2F 'ero$sBita X Klmenita

& @ingAoodita 2F 'ero$sBita ,Mg4Ie4Ca-GiO: XMagnesioAYstita ,Mg4 Ie-O

& 3lgunos autores sugieren tam)ién la e0istenciade un l!mite composicional ,on 3nderson4

7

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El Manto Kn"erior 

& El manto in"erior $a desde >>82.8 Lm

 – +a corteza se deri$ó únicamente del manto superior y entonces

los modelos del manto primiti$o son in$#lidos – ¿e dónde $ienen las plumas del manto?

[Casi no sa)emos nada\.:;T 2F .8>') X ; α X >β2 X Q.:T 2F .8') X α X =β2 X Q.:.%h 2F .8;') X > α X =β2 X Q

Class ] /oldstein4 .884 Nature

El M t M# ' " d l C ZZ.7

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El Manto M#s 'ro"undo y la Capa ZZ& +a densidad y las $elocidades s!smicas se incrementan de "orma gradual a lo largo de todo el

manto in"erior 

& Gin em)argo4 en los últimos 788 Bm se o)ser$a un descenso su)stancial en las $elocidades

s!smicas* 3 esta zona se le ha denominado como Capa ZZ*+a Capa ZZ es muy heterogénea y e0isten dos teor!as parae0plicarla(

 – Ge trata de un l!mite composicional producto dereacciones entre los silicatos del manto y el I2Ni

"undido del núcleo ,'allas!tica- – Ge trata de un 5cementerio6 de cortezas oce#nicassu)ducidas* En este caso4 la capa ZZ representar!a la"uente de las plumas del manto

+3G DON3G E MENO@PE+OCK3 G^GMKC3 EN +3 C3'3ZZ ,en roJo- COKNCKEN CON +OG

5'TN%OG C3+KEN%EG6

.7

El Nú l..

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El Núcleo& 3unue los estudios geo"!sicos han demostrado ue el núcleo est# con"ormado por una

aleación de Ie2Ni4 en realidad sa)emos muy poco acerca de su composición e0acta*& +os meteoritos met#licos tienen entre H y 78H Ni4 sugiriendo ue el núcleo terrestre de)e

tener una proporción similar & Gin em)argo4 los modelos geo"!sicos tam)ién reuieren de la e0istencia de R78H de algún

elemento m#s ligero* El candidato idóneo es azu"re4 aunue se ha especulado so)re la presencia de o0!geno y silicio*

 –  G est# muy empo)recido en la tierra silicatada4 y aunue es un elemento relati$amente $ol#til4 suempo)recimiento relati$o es mayor ue el o)ser$ado en otros elementos de $olatilidad semeJante,e*g* Dn-

 –  +os meteoritos met#licos tienen cantidades importantes de IeG ,troilita- –  Ie "undido y IeG son completamente misci)les a )aJas %

..

& El núcleo es tam)ién el mayor reser$oriode elementos sideró"ilos( @e4 Os4 Kr4 't4etc***

& +as e$idencias isotópicas seSalan ue la"ormación del núcleo de)ió ocurrir muy

temprano en la historia de la tierra4 y pro)a)lemente antes de ue culminara el proceso de acreción ,primeros R:8 Ma-

& +a energ!a gra$itatoria li)erada durante su"ormación pudo ele$ar la temperatura dela tierra R.888C4 permitiendo la"ormación de un 5océano de magma6

+a + na.:

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+a +una.:

Corteza antigua anortos!tica ,:*< – =* /a-Corteza Jo$en )as#ltica ,:*7 – :*< /a-

9eterogeneidades composicionales del manto ,Ksótopos-.=

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9eterogeneidades composicionales del manto ,Ksótopos-

& El manto de la tierra actual es composicionalmente heterogéneo a todas las escalas

& +as e$idencias m#s claras se o)ser$an en las islas oce#nicas ,OK1- y en las cordilleras meso2oce#nicas ,MO@1-*

_ ¿'or ué?& MO@1s tienen $alores menores de ;MGrU;>Gr y 7;MOsU7;;Os4 y mayores de 7=: NdU7== Nd

 –  +os isótopos de ') no siguen esa misma tendencia ,se gra"ican a la derecha del /EOC@ON-4 aunuegeneralmente se o)ser$an $alores menores en los MO@1s ue en lo OK1s

.=

9eterogeneidades composicionales del manto ,Elementos %raza-.

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9eterogeneidades composicionales del manto ,Elementos %raza-

& En términos de las tierras raras( –  +os MO@1s tienen patrones empo)recidos de +@EE con respecto a las 9@EE –  +os OK1s tienen patrones enriuecidos de +@EE y empo)recido de 9@EE

& En términos de los elementos traza( –  +os MO@1s tienen patrones empo)recidos en elementos incompati)les* El ni$el deempo)recimiento es proporcional al grado de incompati)ilidad de los elementos* Esto es e$idenciade ue la "uente de los MO@1 ha su"rido "usiones pre$ias*

 –  +os OK1s est#n relati$amente enriuecidos en elementos incompati)les y "orman un patrón cónca$ocon una anomal!a positi$a en N)2%a* 3unue el patrón es distinto4 los OK1s tam)ién parecen ha)ersido a"ectados por un empo)recimiento relati$o en los elementos m#s incompati)les ,de otra "orma4

su composición isotópica de)er!a ser igual al 1ulB2Earth-*

.

%&'

'

'%

'%%

     C    s

     (     "

     B    a

     T     )   *

     N     "

     T    a

     +     ,     O      -

    a     C    e

     #     "

     #    r

     .    r

     N     d      /

    r     0     1

     .    m      2

    u

     T     i     O     ,

     3     d

     T     "

     4    y

     0    o

     2    r

     5     "   5      -

    u

    s    a    m    p     l    e     6     #     M

N-MO(B

2-MO(B

O!B

E2MO@1( Mezcla entre OK1 y MO@1

¿3 ué se de)en estas di"erencias?

El Manto Empo)recido.>

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El Manto Empo)recido

& 3unue en términos generales la "uente de los MO@1s parece estar representada por un manto empo)recido en elementos incompati)les4 tam)ién e0isten di"erenciasnota)les en la composición de los distintos océanos( – 

El Océano 3tl#ntico alcanza $alores mayores de 7=:NdU7==Nd y menores de ;GrU;>Gr  –  El Océano 'ac!"ico tiene $alores mayores de ;GrU;>Gr y es en general muy homogéneo –  El Océano ^ndico alcanza los $alores m#s )aJos de .8>')U.8=') y 7=:NdU7==Nd y altos

de ;GrU;>Gr 

.>

¡POR LO TANTO SU FUENTE NO ES

HOMOGÉNEA!

Pariaciones Composicionales en los Océanos.

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Pariaciones Composicionales en los Océanos.

¿+!mites composicionales "rancos?3ustralian23ntarctic iscordance ,33-*

Pariaciones Composicionales en los Océanos.;

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Pariaciones Composicionales en los Océanos.;

1ou$et 3zores

Kslandia

¿Pariaciones composicionales graduales?

'icos enriuecidos en 1ou$et4 3zores e KslandiaKnteracción OK12MO@1

1asaltos de islas oce#nicas ,OK1-.

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1asaltos de islas oce#nicas ,OK1-

& +a gran mayor!a de los geou!micos y geo"!sicos coinciden en a"irmar ue la "uentede los MO@1 es el manto astenós"érico a presiones relati$amente )aJas*

& +os OK14 en cam)io4 ascienden de regiones considera)lemente m#s pro"undas4 ue

muestran un enriuecimiento relati$o en elementos incompati)les ¿'lumas delmanto? –  ¿iscontinuidad de los >>8288 Lm? –  ¿Knter"az manto2núcleo?

Kslandia

Mid23tlantic @idge

+os MO@1s son homogéneos

Ge emplazan donde las placas se separa

+a "usión y ascenso es 5pasi$o6

+os OK1s son heterogéneos

Kndependientes de la con$ección glo)al

+a "usión y el ascenso es 5din#mico6

Pisiten( AAA*mantleplumes*org

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E$olución /eou!mica de los @eser$orios Mantélicos:7

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E$olución /eou!mica de los @eser$orios Mantélicos

& +a gran pregunta para los geou!micos( ¿Cómo se "ormaron esos distintos reser$orios?

& 3lgunos pensa)an ue los OK1 simplemente representa)an una "usión del manto primiti$o,Gchilling4 7

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El Manto Gu)continental +itos"érico

& +a composición de los )asaltos continentales es mucho m#s heterogénea ue la de los OK1 yaunue esto puede de)erse en gran medida a procesos de 5asimilación cortical64 lacomposición isotópica de los 0enolitos recuperados en los continentes sugiere ue esta

$ariación tam)ién es el re"leJo de una heterogeneidad e0trema en el manto litos"érico*

& +a heterogeneidad del manto litos"érico ha sidoatri)uida en gran medida a procesos de e0tracciónde magmas para dar lugar a la corteza continental ya procesos 5metasom#ticos6(

& +i)eración de "luidos durante el proceso desu)ducción

& Knyección y solidi"icación de magmas pro"undos "ormando $etas

& elaminación de corteza continental