David Pratt
Mayo 2001, última revisión abril 2016
Fotograma de la serie animada "Espartaco y el sol bajo el mar" (Les Mondes Engloutis, 1985-1988), que retoma el concepto de la Tierra hueca.
Contenidos Parte A:
01. El modelo estándar
02. Sorpresas en perforaciones profundas
Parte A: Hipótesis de la Tierra sólida
01. El modelo estándar
Nuestro conocimiento directo sobre el interior de la Tierra es minúsculo. El planeta tiene un radio de casi 6370 kms., pero la exploración científica más profunda llegó sólo a 12. Para ponerlo en perspectiva: si redujéramos la Tierra a un modelo de aproximadamente 50 cms. en diámetro, el fragmento accesible a la observación directa mediante el orificio más hondo equivaldría a una capa muy delgada e inferior a un 1 milímetro. En otras palabras, los científicos apenas han arañado la superficie del globo.
Sin embargo, en el último siglo los geocientíficos han elaborado un cuadro "detallista" sobre el interior terrestre, basado por lo común en evidencia indirecta, y sobre todo el comportamiento de las ondas sísmicas (1). Se cree que el interior planetario consiste en múltiples esferas concéntricas: una corteza externa sólida con un promedio de 7 kms. de espesor bajo los océanos y 35 bajo los continentes; un manto principalmente sólido (compuesto por silicatos de hierro-magnesio) que se extiende a una profundidad de 2900 kms; un núcleo exterior de hierro líquido situado a una hondura de 5150 kms., y un núcleo interno de hierro macizo con radio cercano a los 1220 kms.
Modelo estándar del interior de la Tierra (2).
Cada vez que se origina un terremoto, las ondas sísmicas se separan del foco yendo en todas direcciones, y se distinguen tres tipos: superficiales, corporales y oscilaciones libres (correspondientes a todo el globo). En lugar de viajar en línea recta, las corporales se reflejan y refractan (es decir, aparecen "dobladas") dependiendo de la presión, densidad, temperatura y elasticidad de las múltiples capas rocosas que atraviesan. Sobre la base del tiempo que toman las categorías de ondas en sismos concretos para llegar a varias zonas de la superficie, los sismólogos tratan de determinar el camino preciso que adoptan esas vibraciones, los cambios de velocidad a diversas profundidades, y la densidad y composición de la Tierra a distintos fondos, lo cual hoy se realiza con ayuda de poderosos superordenadores.
Cada vez que se origina un terremoto, las ondas sísmicas se separan del foco yendo en todas direcciones, y se distinguen tres tipos: superficiales, corporales y oscilaciones libres (correspondientes a todo el globo). En lugar de viajar en línea recta, las corporales se reflejan y refractan (es decir, aparecen "dobladas") dependiendo de la presión, densidad, temperatura y elasticidad de las múltiples capas rocosas que atraviesan. Sobre la base del tiempo que toman las categorías de ondas en sismos concretos para llegar a varias zonas de la superficie, los sismólogos tratan de determinar el camino preciso que adoptan esas vibraciones, los cambios de velocidad a diversas profundidades, y la densidad y composición de la Tierra a distintos fondos, lo cual hoy se realiza con ayuda de poderosos superordenadores.
Las trayectorias de onda son enormemente complicadas; pueden someterse a múltiples reflexiones/refracciones, y sus "caminos" se intrincan aún más por el hecho de que existe variancia lateral en cada profundidad de la Tierra, lo cual se indica directamente por la dispersión en los tiempos de llegada de oscilaciones sísmicas a todas las distancias desde la fuente. La tomografía sísmica, que busca visualizar la estructura tridimensional planetaria, proporciona pruebas indirectas sobre variaciones laterales de hasta 10% en velocidad sísmica mediante la corteza y el manto.
Los científicos ni siquiera comienzan a interpretar los registros sísmicos existentes por cientos de miles, sin antes elaborar ciertas suposiciones básicas sobre la Tierra interna. Las hipótesis principales sostienen que el centro del globo consiste casi enteramente en materia física sólida o líquida, y que la temperatura, presión y densidad aumentan con la profundidad, creyéndose generalmente que dichas teorías "son evidentes por sí mismas".
A varias profundidades terrestres aparecen discontinuidades en que la rapidez de ondas sísmicas cambia abruptamente. Tales disrupciones a menudo consisten en zonas de transición en vez de límites agudos, y varían en calado de un sector a otro. El límite principal se sitúa entre manto y núcleo; luego y en orden de magnitud, siguen el linde corteza-manto (discontinuidad de Mohorovicic o Moho), núcleo interior-exterior y las intermitencias del manto medio a profundidades de 400 y 670 kms. El núcleo de la Tierra fue "descubierto" en 1906 y su hondura (aproximadamente 2.900 kms.) se determinó en 1914. La zona Moho fue "encontrada" en 1909, el núcleo interno hacia 1936 y las discontinuidades de 400 y 670 kms. durante los años '60.
La visión prototípica -que está siendo cada vez más cuestionada (3)- es que el espesor de la corteza varía entre 20 y 70 kms. bajo los continentes y de 5 a 15 bajo los océanos, y que la corteza continental se compone principalmente de rocas graníticas coronadas por otras sedimentarias, mientras que la de tipo oceánico posee en gran parte basalto y gabro. En el límite corteza-manto o Moho, las velocidades de ondas sísmicas cambian con brusquedad, pero no hay consenso sobre por qué ocurre exactamente. Ninguna perforación ha llegado hasta el Moho, y este lindero varía mucho en profundidad pues a veces se apilan varios Mohos y en ciertos lugares no existe dicha región en absoluto. A veces es plana, continua y ajena a las fallas, mientras que en otras áreas está fuertemente influenciada por estructuras geológicas superpuestas y saltos de una profundidad a otra (4).
En las dos discontinuidades principales del manto, se cree que las rocas experimentan transformaciones de presión hacia etapas más densas. La irregularidad de 670 kms. marca la separación entre manto superior e inferior; las ondas sísmicas aumentan repentinamente en velocidad a este fondo y esencialmente los terremotos finalizan. Se piensa que el manto alberga peridotita densa y ultrabásica (ultramáfica), lo cual obedece a que la lava en ocasiones incluye fragmentos de ese mineral y los procesos orogénicos suelen traer pedazos del mismo, por lo que en ambos casos se cree que esa roca proviene del manto. V. Sánchez Cela discrepa y señala que muchos fenómenos geológicos y geofísicos pueden explicarse mejor si el manto superior es mucho más siálico (granítico) de lo considerado actualmente (5).
Se afirma que el núcleo externo consiste principalmente en hierro líquido, y el interno lo almacena en estado sólido. El argüendo para ello es que existen dos tipos básicos de ondas sísmicas: las P (primarias) que viajan más rápido, y S (o secundarias). Las primeras son compresionales o longitudinales, y causan movimiento del terreno paralelo a la dirección propagativa de la onda, pudiendo dispersarse a través de sólidos, líquidos y gases. Las ondas S son transversales o de corte, y desplazan el suelo de forma perpendicular al sentido de propagación, viajando únicamente entre sólidos.
Sismograma registrado en Reino Unido desde un terremoto distante.
La existencia de dichos "vacíos" para ondas P y S no significa que éstas no sean percibidas en sus zonas homónimas respectivas. Las vibraciones P y S pueden reflejarse en la superficie terrestre y fuera de cualquier discontinuidad rocosa dentro del planeta, como el límite núcleo-manto y del núcleo interno. Las P pueden convertirse en S al entrar en el núcleo interior, al salir del núcleo exterior y cuando se reflejan fuera del lindero núcleo-manto; por su parte, las ondas S se transforman en P al ingresar en el núcleo exterior, cuando salen del núcleo ínsito y al reflectarse sobre la superficie. La complejidad de los posibles recorridos teóricos de trayectorias oscilatorias se muestra en el siguiente diagrama. Basándose en el tipo de vibraciones sísmicas recibidas en diversos lugares y los tiempos de viaje estimados, las computadoras calculan rutas compatibles con el modelo estándar.
Trayectorias globales de ondas sísmicas y nombres de fases (7). Las ondas P se muestran en líneas enteras, y las S como onduladas. Los tonos indican núcleo interno, núcleo exterior y manto. K = onda P en el núcleo exterior; I = onda P en núcleo interno; J = onda S en núcleo interno; c = reflexión del límite núcleo-manto; i = reflexión en el límite del núcleo interno.
En ocasiones, los sismólogos elaboran conjeturas opuestas de los mismos datos sísmicos. Por ejemplo, dos grupos de geofísicos crearon cuadros completamente distintos del límite núcleo-manto, donde se cree que existen "montañas" y "valles" tan altos o profundos que alcanzan los 10 kms. Ambos equipos utilizaron informaciones prácticamente iguales, pero se sirvieron de ecuaciones disímiles para procesarlos (8). Los profesionales también disienten sobre la velocidad de rotación del núcleo interno: algunos señalan que gira más rápido que el resto del planeta, otros que lo hace más lento, y otros que gira a la misma proporción (9).
En ocasiones, los sismólogos elaboran conjeturas opuestas de los mismos datos sísmicos. Por ejemplo, dos grupos de geofísicos crearon cuadros completamente distintos del límite núcleo-manto, donde se cree que existen "montañas" y "valles" tan altos o profundos que alcanzan los 10 kms. Ambos equipos utilizaron informaciones prácticamente iguales, pero se sirvieron de ecuaciones disímiles para procesarlos (8). Los profesionales también disienten sobre la velocidad de rotación del núcleo interno: algunos señalan que gira más rápido que el resto del planeta, otros que lo hace más lento, y otros que gira a la misma proporción (9).
Cada vez es más ostensible lo defectuoso del modelo presentado por la tectónica de placas reinante (10). Se dice que la litosfera rígida, que comprende corteza y manto superior, se fractura en varias "placas" de tamaños variables que se mueven sobre una capa de relativa plasticidad con roca parcialmente fundida, llamada astenosfera (o zona de baja velocidad). Según esta teoría, la litosfera promedio tiene unos 70 kms. de espesor bajo los océanos y entre 100 y 250 kms. en la base de continentes. La tomografía sísmica plantea un serio desafío a este paradigma, mostrando que los sectores continentales más antiguos tienen raíces que se extienden a profundidades de entre 400 y 600 kms., y que esencialmente la astenosfera no existe bajo ellas. La investigación sísmica apunta a que incluso bajo los océanos tampoco hay astenosfera continua, sino sólo "lentes astenosféricas" desconectadas.
Cuanto más aprendemos sobre la corteza y el manto superior, más se exponen el simplismo y carácter irreal en los arquetipos de textos geológicos. Las capas más externas de la Tierra poseen un ensamblado altamente complejo, irregular e inhomogéneo; están divididas por fallas en un mosaico de bloques separados con numerosas formas y tamaños, generalmente varios cientos de kilómetros en diámetro, y evidencian estructura y fuerza interna variables. Este hecho, junto con la existencia de profundas raíces continentales y la falta de una astenosfera global, denota que es sencillamente inverosímil la noción de "enormes placas rígidas" que se movilizan por miles de kilómetros a lo largo y ancho de la Tierra. ¡Habría que pensar, entonces, que los continentes son tan dinámicos como el ladrillo en una pared!
También es muy implausible la hipótesis tectónica de que los océanos modernos se formaron por propagación del fondo marino desde el Mesozoico temprano (últimos 200 millones de años). Se han descubierto numerosas rocas continentales mucho más antiguas en océanos, junto con tipos de corteza "anómala" intermedios entre la capa "continental" y "oceánica" estándar (por ejemplo, mesetas, crestas y elevaciones); asimismo, sigue en aumento la evidencia de grandes extensiones continentales (ahora sumergidas) en los océanos de hoy.
Referencias
1. T. Lay y T.C. Wallace, Modern Global Seismology, San Diego, CA: Academic Press, 1995.
2. D.H. Carlson, C.C. Plummer y D. McGeary, Physical Geology: Earth revealed, Boston, MA: WCB, McGraw-Hill, 7a ed., 2008, p. 33.
3. "Sunken continents versus plate tectonics", EdgeScience, n° 14, mayo 2013, p. 11-15.
4. P. Barton, "Deep reflections on the Moho", Nature, v. 323, p. 392-3, 1986; S. Weisburg, "The moho is immutable no more", Science News, v. 130, 1986, p. 326-7.
5. V. Sánchez Cela, Formation of Mafic-ultramafic Rocks in the Crust: Need for a new upper mantle, Zaragoza: Universidad de Zaragoza, 1999; V. Sánchez Cela, Densialite: A new upper mantle, Zaragoza: Universidad de Zaragoza, 2000.
6. Physical Geology, p. 38.
7. Peter M. Shearer, Introduction to Seismology, Cambridge: Cambridge University Press, 2a ed., 2009, p. 87, ruangbacafmipa.staff.ub.ac.id.
8. William R. Corliss (comp.), Inner Earth: A search for anomalies, Glen Arm, MD: Sourcebook Project, 1991, p. 41-3.
9. Sue Bowler, "Journey to the centre of the earth", Inside Science n° 134, New Scientist, 14 de octubre de 2000.
10. Ver "Continentes hundidos vs. deriva continental", y "Tectónica de placas: un modelo bajo amenaza", Journal of Scientific Exploration, v. 14, n° 3, 2000, p. 307-52.
02. Sorpresas en perforaciones profundas
¿Cuánta fe podemos tener en las hipótesis sobre la composición y densidad de rocas a distintas profundidades? Los kilómetros más elevados de la corteza son el único lugar donde la exactitud de los modelos científicos puede ser probada directamente, y aunque las compañías petroleras llegan a horadar hasta 8 kilómetros en tierra, sólo perforan cuencas sedimentarias. El basamento ígneo y metamórfico tiene un promedio de 40 kms. en espesor y forma la mayor parte de la corteza continental, pero rara vez ha sido muestreado a más de 2 ó 3.
El pozo más profundo realizado con objetivos científicos se encuentra en la península de Kola cercana a Murmansk, Rusia (sector noroeste del Escudo Báltico). La perforación del agujero principal comenzó en 1970, y se logró un calado final de 12.262 mts. en 1989. Este y otros ejemplos profundos/superprofundos han traído una sorpresa tras otra, y las consecuencias han sido extremadamente embarazosas para los geofísicos (1). Un especialista comentó: "Cada vez que abrimos un agujero, se encuentra lo inesperado. Eso es emocionante, pero también inquieta". Y un reportero de ciencia ironizaba: "Kola reveló cuánto puede alejarse la teoría científica de los hechos concretos".
En el pozo de Kola, los científicos esperaban localizar 4,7 kms. de rocas sedimentarias y volcánicas metamorfoseadas, y luego una capa granítica a un fondo de 7 kms. ("discontinuidad Conrad") con un estrato basáltico subyacente. El granito, sin embargo, apareció a 6,8 kms. y se extiende por más de 12, y tampoco se encontró ninguna capa basáltica. Los estudios de reflexión sísmica, en que las ondas sonoras enviadas a la corteza rebotan en tipos de roca contrastantes, detectaron anomalías de Conrad bajo todos los continentes, pero claramente es errónea la interpretación estándar de que representa un "cambio de rocas graníticas a basálticas", por lo cual se piensa que las transformaciones metamórficas provocadas por calor y presión son el fundamento más probable.
Se esperaba que el pozo superprofundo de Oberpfälz, Alemania, atravesara un complejo de napas* con entre 3 a 5 kms. de espesor en una zona de sutura, formada por una supuesta colisión continental. El agujero alcanzó 9101 mts. en 1994, pero no hubo evidencia que apoyara el concepto de napas, y en su lugar los científicos hallaron una serie de pliegues prácticamente verticales que no habían aparecido en perfiles de reflexión sísmica.
*Capa extensa o masa de rocas que ha sido empujada desde su posición original por movimientos de tierra.
Generalmente se espera que la densidad rocosa aumente con la profundidad, a medida que asciende la presión. Los resultados en Kola expusieron que al inicio dicha compacidad se incrementó con la hondura, pero a los 4,5 kms. la broca encontró una merma repentina de solidez, presumiblemente por aumento de porosidad. Los hallazgos también mostraron que las acrecencias en la velocidad sísmica no tienen que ser causadas por aumentos en la basicidad de la roca. El ministro soviético de Geología informó que "con la profundidad creciente en el agujero de Kola, el aumento previsto de densidades rocosas no fue registrado en consecuencia. Tampoco hubo elevaciones en la velocidad de ondas sísmicas ni otros cambios en las propiedades físicas de rocas detectadas. Así, debe reexaminarse la idea tradicional de que los datos geológicos obtenidos de la superficie pueden correlacionarse directamente con los materiales geológicos en la corteza profunda".
Las resultantes de la perforación superprofunda señalan que los levantamientos sísmicos de la corteza continental están siendo malinterpretados sistemáticamente. Gran parte del modelado al interior planetario depende de la interpretación otorgada a los registros sísmicos, pero si estas lecturas son erróneas a profundidades de sólo pocos kilómetros, ¿cuánta confianza puede haber en las teorías sobre la estructura terrestre a distancias de cientos o miles de kilómetros allá abajo?
Contrario a las expectativas, el sitio de Kola reveló que los signos de alteración y mineralización rocosas se encontraron incluso hasta 7 kms. El agujero interceptó un cuerpo mineral de cobre-níquel casi 2 kms. por debajo del nivel en que se pensaba desaparecían las menas análogas. Además, se localizó hidrógeno, helio, metano y otros gases, junto con aguas fuertemente mineralizadas circulando a través de este agujero artificial. Fue igualmente inesperada la presencia de fracturas abiertas a la circulación de fluidos con presiones superiores a 3000 bares. Los técnicos y funcionarios de Oberpfälz descubrieron flujos calientes en fracturas abiertas a 3,4 kms.; la salmuera era rica en potasio y dos veces más salada que el agua del océano, y su origen continúa siendo un misterio.
Otra sorpresa en Kola fue el descubrimiento de categorías bióticas y fósiles varios kilómetros al interior del pozo. Se encontraron fósiles microscópicos a profundidades de 6,7 kms., identificándose 24 especies entre ellos que corresponden a los revestimientos de plantas marinas monocelulares conocidas como plancton. A diferencia de los recubrimientos convencionales de caliza o sílice, se encontró que consistían en carbono y nitrógeno, y se habían mantenido notablemente inalterados a pesar de las altas presiones y temperaturas a que fueron sometidos.
Por lo común se cree que la temperatura aumenta con la profundidad, alcanzando los 1000° C a unos 80 kms., 4800° C en el límite núcleo-manto y 6900° C al centro de la Tierra. Es cierto que los pozos mineros y las operaciones petrolíferas descubren incrementos significativos de temperatura conforme se ahonda más en la superficie; de hecho, los trabajos superprofundos vienen demostrando que esta característica se produce mucho más rápido de lo previsto. En el sitio de Kola, la temperatura a 10 kms. de calado era 180° C en lugar de los 100 esperados. Las mensuras arrojaron variaciones verticales significativas en el gradiente de temperatura y la densidad de flujo térmico a lo largo del pozo. En general, la tasa de ascenso térmico osciló de 11 a 24°/km. hasta una profundidad de casi 7 kms., y luego comenzó a disminuir. Los geólogos reconocen que esta proporción debe caer bruscamente a una cierta hondura, pues de otro modo el manto se fundiría por debajo de unos 100 kms. (incluso a las enormes presiones que se supone existen allí), mientras que la evidencia sísmica apunta a que es sólida.
La corteza oceánica suele dividirse en tres capas principales: la 1 consiste en sedimentos del suelo marino y promedia 0,5 kms. de espesor; la 2 compuesta en gran parte por basalto tiene de 1,0 a 2,5 kms., y se supone que la capa 3 contiene gabro y posee aproximadamente 5 kms. de grosor. Un pozo construido en el Océano Pacífico oriental se ha reocupado cuatro veces en un período de 12 años, y ahora comporta una profundidad total de 2000 mts. por debajo del fondo marino. Las pruebas sísmicas sugirieron que el límite entre las capas 2 y 3 se encontraría al cabo de unos 1700 mts., pero el taladro pasó bien ese nivel sin encontrar el contacto entre los diques de la capa 2 y el gabro esperado de la 3. En consecuencia, deben existir errores en la interpretación sísmica o el modelo compositivo para el tercer estrato (3).
Como ya se mencionó, la tectónica de placas requiere que la corteza subyacente a los océanos sea relativamente joven (no más antigua que el Mesozoico temprano); sin embargo, se han recuperado miles de rocas más viejas en los océanos del mundo, y la evidencia geológica/geofísica ya disponible sugiere que las perforaciones marinas más hondas descubrirán mayores cantidades de sedimentos antiguos (incluyendo restos adicionales de masas térreas continentales) bajo la capa basáltica 2, que actualmente es etiquetada a conveniencia como "basamento" (4). Ésta última indicaría que las inundaciones de magma cubrieron antaño todo el océano, y los estudios de sedimentos marinos muestran que esa actividad estuvo acompañada por hundimiento progresivo de la corteza en grandes sectores de los océanos modernos, comenzando en el Jurásico.
Referencias
1. Richard A. Kerr, "Continental drilling heading deeper", Science, v. 224, 1984, p. 1418-20; Richard A. Kerr, "Deep holes yielding geoscience surprises", Science, v. 245, 1989, p. 468-70; Richard Monastersky, "Inner space", Science News, v. 136, 1989, p. 266-8; Taryn Toro, "German geology hits new depths", New Scientist, 29 de septiembre de 1990, p. 24-5; William R. Corliss (comp.), Inner Earth: A search for anomalies, Glen Arm, MD: Sourcebook Project, 1991, p. 11-14; N.I. Pavlenkova, "The Kola superdeep drillhole and the nature of seismic boundaries", Terra Nova, v. 4, 1993, p. 117-23; R. Emmermann y J. Lauterjung, "The German Continental Deep Drilling Program KTB: overview and major results", Journal of Geophysical Research, v. 102, 1997, p. 18179-201; Y.A. Popov, S.L. Pevzner, V.P. Pimenov y R.A. Romushkevich, "New geothermal data from the Kola superdeep well SG-3", Tectonophysics, v. 306, 1999, p. 345-66; International Continental Drilling Program (ICDP), icdp-online.org.
2. Agujero superprofundo de Kola (atlasobscura.com/places/kola-superdeep-borehole).
3. D. McGeary y C.C. Plummer, Physical Geology: Earth revealed, Boston, MA: WCB, McGraw-Hill, 3a ed., 1998, p. 63.