Manual de Geologia Para Ingenieros

5/17/2018 Manual de Geologia Para Ingenieros

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MANUAL DE GEOLOGIA PARAINGENIEROS

GONZALO DUQUE ESCOBAR

EL CICLO GEOLGICOSOBRE LA GEOLOGIALa Geologa es la ciencia que estudia el planeta Tierra en su conjunto, describe losmateriales que la forman para averiguar su historia y su evolucin e intenta comprenderla causa de los fenmenos endgenos y exgenos. La unidad de tiempo en geologa es elmilln de aos.

!l estudio de la Tierra de manera aislada fue objeto de inter"s en la antig#edad, pero laGeologa como ciencia se inicia en los siglos $%&& y $%&&& obteniendo su mayordesarrollo en el siglo $$, donde diversas ramas de la Geologa se encargan del anterior

propsito.La teora de la tectnica global o de placas de los aos '( ofrece hoy explicaciones

plausibles a la mayora de los fenmenos y hechos geolgicos tales como la formacinde montaas, oc"anos, locali)acin de volcanes y epicentros ssmicos, etc., quedandosin embargo algunos puntos oscuros por resolver. !n la actualidad las cienciasgeolgicas est*n adquiriendo mayor importancia para enfrentar la escase) de materias

primas y energ"ticas y los problemas ambientales. !sto exige el conocimiento profundode la geologa del terreno y el concurso de personal especiali)ado en geologa,geotecnia, geofsica y geoqumica, entre otras disciplinas y profesiones.Los estudios geolgicos son tambi"n necesarios en obras de ingeniera civil, como

presas, autopistas y edificaciones y sobretodo en los trabajos relacionados con elordenamiento del territorio y la conservacin del medio ambiente.+ara ilustrar los temas de los cuales trata la geologa fsica, una buena herramienta es elciclo de las rocas, el cual permite describir los principales fenmenos a los cuales est*nsometidos las rocas y los suelos. !ste enfoque de la geologa fsica servir* tambi"ncomo introduccin al presente texto.1.2 CICLO DE LAS ROCAS
http://www.geocities.com/gonzaloduquee/http://www.geocities.com/gonzaloduquee/


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igura -. !l ciclo de las rocas. !l magma se transforma en rocas gneas y de "staspueden generarse sedimentos, rocas sedimentarias o rocas metamrficas. Las rocasgneas y sedimentarias dan origen a las rocas metamrficas y "stas al magma. Tomadode Geologa sica, Leet y udson.!l magma da origen a las rocas gneas y "stas /u otras0 dan origen a los sedimentos1 porsu parte los sedimentos consolidados dan origen a las rocas sedimentarias. +ero lasrocas sedimentarias /y las gneas0 dan origen a las rocas metamrficas y "stas a su ve)

pueden fundirse para producir magma. !l ciclo tambi"n puede interrumpirse, como seilustrar* en la siguiente figura, con procesos que adelante se describen.

1.2.1 El magma. !s un fluido rocoso incandescente compuesto principalmente deminerales tipo silicatos y xidos fundidos.La Tierra est* compuesta por un n2cleo interior caliente, un manto que lo envuelve yuna corte)a exterior. La corte)a que envuelve la Tierra slida est* compuesta por placastectnicas de ambiente continental y oce*nico.!l magma se produce por debajo de la corte)a y en el manto exterior del planeta, dondelos materiales est*n sometidos a un flujo pl*stico de naturale)a convectiva. 3s, elmagma es un fundido natural a alta temperatura en el que participan principalmente 4

elementos5 oxgeno /640, silicio /7i-80, aluminio /3l-90, hierro /e:'0, calcio /;3:(0,sodio /0 y magnesio /?g-:0.1.2.2 La cristaliaci!". +or el enfriamiento del magma se forman diminutos cuerposslidos llamados minerales que tienen la tendencia a formar cuerpos cristalinos, por susformas espaciales regulares de materia qumicamente homog"nea.!sas estructuras, fruto de la cristali)acin de soluciones magm*ticas, son el resultado dela unin el"ctrica de *tomos, iones y mol"culas, en un estado energ"tico mnimo dem*ximo orden.!n ocasiones el producto de la solidificacin es amorfo, es decir, cuando los *tomos,iones y mol"culas del cuerpo no manifiestan una disposicin regular.


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@eben destacarse adem*s minerales con formas granulares, laminares y fibrosas, ydisposiciones de minerales alineados y cru)ados, en un espacio tridimensional. !stosaspectos son determinantes en el comportamiento mec*nico de las rocas.

+or la compleja composicin qumica del magma su cristali)acin no es uniforme sinofraccionada. ;omo las rocas que se derivan del magma tienen componentes mineralesprincipalmente del grupo de los silicatos, conforme desciende la temperatura en elfundido, se forman silicatos en el orden siguiente5+rimero los ferromagnesianos y las plagioclasas c*lcicas, seguir*n el feldespato

pot*sico, la moscovita y por 2ltimo el cuar)o /consideraremos el cuar)o como silicato yno como xido0. !sto se conoce como la serie de cristali)acin de AoBen.Las rocas est*n formadas por minerales1 las texturas de las rocas gneas dependen deltamao, forma y disposicin de los minerales que las componen, pero dicho tamao

depende de la velocidad de enfriamiento del magma1 si el enfriamiento es lento, elmineral es grande y la textura ser* fanertica /granulada01 si el enfriamiento es r*pido,los minerales ser*n pequeos resultando la textura afantica1 una textura combinada porcambios de velocidad de enfriamiento, en la que se muestran minerales grandes dentrode una matri) de minerales finos, es la textura porfidtica.1.2.# R$cas %g"&as. !n la Tierra existen dos ambientes geogr*ficos de formacin derocas gneas5 el oce*nico y el continental1 por regla general en el oce*nico estas rocasson ricas en minerales ferromagnesianos y se denominan rocas b*sicas o ultrab*sicas yen el ambiente continental son ricas en minerales con abundancia de slice y aluminio yse llaman rocas *cidas. !stas denominaciones se dan en funcin de la composicinqumica de las rocas.7eg2n la profundidad de formacin, las rocas pueden ser plutnicas, cuando provienendel magma que se ha enfriado en el interior de la corte)a1 o volc*nicas, cuando elmagma se ha enfriado sobre ella. Tambi"n puede ocurrir que el magma se enfre

prximo a la superficie, pero no sobre ella, conduciendo a rocas hipoabisales.

Las plutnicas son de textura fanertica, las volc*nicas de textura afantica, y lashipoabisales de textura porfidtica dado que su formacin condiciona la textura a trav"sde la velocidad de enfriamiento.


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igura :.Celieve de los ondos 6ce*nicos5 se observan las dorsales oce*nicas /do0, lasfallas transformantes /ft0, las llanuras abisales /lla0 y fosas submarinas /fs0, as como losarcos de islas /ai0 y continentes emergidos /ce0. uente La Tierra +laneta %ivo, 7alvat..

Las principales rocas gneas son el granito, entre las plutnicas, y el basalto entre lasvolc*nicas1 por regla general la primera de ambiente continental y la segunda deambiente oce*nico. !n la ;ordillera ;entral son frecuentes los granitos y en laoccidental los basaltos.

1.2.' M&t&$riaci!"( &r$si!" ) tra"s*$rt&. Los sedimentos se explican por lameteori)acin, la erosin y el transporte de los materiales que conforman la corte)a dela Tierra. La denudacin es un proceso nivelador por el cual las rocas de los espacios deerosin nutren los espacios de sedimentacin. 7emejante proceso se corresponde confuer)as de degradacin de la superficie del planeta, a las que se oponen fuer)as deagradacin que reconstruyen el relieve.La meteori)acin o intemperismo, como condicin previa a la erosin y al transporte, esla alteracin del material rocoso expuesto al aire, la humedad o al efecto de la materiaorg*nica1 existen dos tipos de meteori)acin5 la mec*nica, que alude a la desintegracindel material y la qumica, a su descomposicin. Day otras formas de alteracin que noson meteori)acin, como la alteracin tectnica y la hidrotermal de importancia en elambiente andino.+roductos del intemperismo son5 gravas, arenas, limos y arcillas, adem*s de solucionessilceas, carbonatadas y ferruginosas, entre otras. !stos materiales explican

posteriormente la formacin de los suelos de cultivo, tambi"n los suelos residuales, lossuelos transportados y las rocas sedimentarias, todos ellos gracias a la meteori)acinque supone la destruccin de las rocas y minerales expuestos sobre la superficie debidoa las fuer)as exgenas.

La erosin es el proceso de desprendimiento de las unidades alteradas de la roca merceda agentes como el hielo, el agua y el viento1 la gravedad no lo es. !stos mismos agentes


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ocasionan luego el transporte de los materiales desprendidos, para formar los depsitossedimentarios, aprovechando la energa proveniente de la gravedad y del 7ol.1.2.+ S&,im&"t$s. 7on materiales rocosos, organismos muertos, sustancias qumicas yotras sustancias acumuladas, fruto de la meteori)acin y alteracin de las rocas, por la

precipitacin de elementos disueltos en la hidrosfera o la acumulacin de materiaorg*nica en un medio continental o marino.Los procesos de denudacin de la corte)a suponen la erosin de masas emergidas. Laenerga la provee la gravedad y los movimientos de la tierra fluida a causa de laradiacin solar, fuer)as sin las cuales no es posible el transporte de materiales pormedios como aire y agua. 7eg2n el agente que lo transporta, el depsito recibe elnombre de coluvial, aluvial, elico o glaciar1 y seg2n el lugar donde se encuentre, eldepsito recibe el nombre de palustre, marino, lacustre o terrgeno.3lgunos ambientes sedimentarios est*n situados dentro de los continentes como ocurre

con el medio fluvial formado por la acumulacin de partculas en el lecho y a amboslados de los ros, principalmente durante las crecidas, o el medio lacustre originado porel material sedimentado en el fondo de los lagos. 6tros ambientes se locali)an en )onascosteras y sus aledaos, entre los cuales citamos las playas y los deltas formados porsedimentos del ro cuando termina su curso. !s, sin embargo, en el mar donde suelendarse los m*ximos espesores de sedimentos ya sobre la plataforma continental, sobre eltalud continental o en la desembocadura de los caones submarinos. !l espesor de lossedimentos en las llanuras abisales es pequeo, para desaparecer en las vecindades delas dorsales.1.2.- Diag"&sis ) liti/icaci!". ;uando los sedimentos son sepultados tiene lugar todotipo de procesos qumicos y fsicos que pueden conducir a modificaciones bastanteradicales del material original. ;on el t"rmino diag"nesis se cubren todas esastransformaciones ocurridas a temperaturas y presiones relativamente bajas, en )onas nomuy profundas por debajo de la superficie de la Tierra. Los tres procesos diagen"ticosson la cementacin, la consolidacinEdesecacin, y la cristali)acin.Fui)*s el efecto m*s obvio de la diag"nesis sea la transformacin de partculas sueltas,sin consolidar, en una roca sedimentaria compacta y dura. !ste es slo uno de losaspectos de la diag"nesis que se denomina litificacin y como ejemplo de ella est* laconversin de arenas en areniscas, arcillas en arcillolita y turbas en carbn.

La consolidacin y la desecacin son los dos componentes esencialmenteindependientes de la diag"nesis, el primero es de car*cter fsico mientras el segundo esm*s qumico que fsico, pero uno y otro en general avan)an paralelamente a lo largo dela diag"nesis.La consolidacinEdesecacin es un proceso que se explica con la litificacin de lasarcillas, cuyo producto final puede ser una roca sedimentaria llamada arcillolita1 graciasa presiones litost*ticas este material poroso e impermeable disminuye ostensiblementesu volumen, pierde agua y se endurece.La cementacin es el proceso cl*sico de litificacin de las arenas, tras su acumulacin,

por el cual se forma la roca sedimentaria llamada arenisca, donde la arena porosa ypermeable admite coloides cementantes y soluciones con aglutinantes qumicos.


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La cristali)acin se da, por ejemplo, en algunos depsitos de naturale)a calc*rea, dondelos intercambios inicos producen el endurecimiento de la materia gracias a fenmenosde neocristali)acin y recristali)acin, obteni"ndose como producto una rocasedimentaria del tipo cali)a. +ara algunos autores este proceso queda comprendido

dentro del fenmeno de la cementacin cuando se asume como proceso eminentementequmico.1.2.0 R$cas s&,im&"tarias. Las rocas sedimentarias m*s importantes por suabundancia y en su orden, son5 la lutita, la arenisca y la cali)a. 3unque las rocassedimentarias constituyen una proporcin muy pequea del volumen de la corte)a de laTierra, son altas las posibilidades de encontrarlas en la superficie, donde tres cuartas

partes de las rocas expuestas son sedimentarias. La ;ordillera 6riental colombiana esfundamentalmente de naturale)a sedimentaria.;omo los procesos que conducen a la formacin de rocas sedimentarias est*n en

funcionamiento en nuestro entorno, el examen de "ste da los indicios de su formacin.7i el entorno es costero, los sedimentos son variados y se van acumulando y sepultando

para formar rocas. !n un pantano de sal los sedimentos son de grano muy fino /lodos0 yen la playa el sedimento es de grano arenoso1 estos dos escenarios muestran aguastranquilas y entornos de alta energa y turbulencia respectivamente, que condicionan lacalidad de la roca.Los diferentes tipos de rocas sedimentarias se relacionan a su ve), no slo con los

procesos de meteori)acin, sino tambi"n con la )ona clim*tica en que se formaron y conlas diferentes partes del ambiente tectnico sobre las cuales pueden estar operando los

procesos superficiales. +ero lo m*s caracterstico de las rocas sedimentarias es sudisposicin en capas o estratos, donde el conjunto muestra algunos tipos de estructurasque reflejan el ambiente de formacin.%olviendo a las rocas m*s frecuentes, tenemos que la lutita proviene de las arcillas ylimos depositados en mares, lagos o lagunas1 que la arenisca proviene de arenas, porregla general cementadas con minerales como calcita, dolomita y cuar)o1 que las cali)asson rocas de naturale)a calc*rea, de origen qumico u org*nico. 3dem*s, si las rocassedimentarias como areniscas, lutitas y conglomerados /rocas cl*sticas0 se formanfundamentalmente por la acumulacin de partculas provenientes de otras rocas,tambi"n se forman rocas sedimentarias con materiales depositados que no son partculas

de rocas transportadas mec*nicamente, sino que pueden ser, o bien precipitados dedisoluciones acuosas como es el caso de los yesos y sales, o bien rocas que se formanpor la accin de organismos, como es el caso de los arrecifes, o por acumulacin decapara)ones de organismos muertos como muchas cali)as.1.2. M&tam$r/ism$. !s el cambio de una clase coherente de roca en otra, gracias a un

proceso que se da por debajo de la )ona de sedimentacin e intemperismo pero sobre la)ona de fusin o produccin de magma. Los agentes del metamorfismo son tres, y almenos dos de ellos siempre est*n presentes5 temperatura, presin y fluidosqumicamente activos. Las nuevas rocas as originadas sufren en la transformacinmec*nica, qumica o qumicoEmec*nica un cambio en su estructura o en su composicin

mineral sin que vare la qumica global.


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!xisten tres series b*sicas de rocas metamrficas5 en las )onas en las que la presin esmucho m*s elevada que la temperatura, donde se formar*n rocas de alta presin1 en la)ona en que la temperatura es mucho mayor que la presin, donde se formar*n rocasmetamrficas de alta temperatura, finalmente, si en el lugar de formacin la presin y latemperatura est*n equilibradas, dar*n a lugar a rocas de presin y temperatura

intermedia.Las )onas que pueden dar lugar a rocas metamrficas son variadas y pueden estar tantoen el ambiente continental como en el oce*nico. La ;ordillera ;entral colombiana tieneun basamento fundamentalmente de constitucin metamrfica. !n la base de la corte)aoce*nica, algunas rocas podran sufrir metamorfismo1 en las dorsales se da una mayortemperatura gracias al ascenso del magma, favoreciendo la formacin de rocasmetamrficas. Las )onas de subduccin tambi"n son ambientes propicios, como lo son asu ve) las partes inferiores de la corte)a continental o los espacios vecinos en lasinmediaciones de las intrusiones gneas que sufre la corte)a superior al ascenso demagmas.

1.2. R$cas m&tam!r/icas. !n la corte)a la temperatura aumenta en promedio 99 ;

por =m. /-; por cada 9( metros de profundidad0, y la presin unas -((( atmsferascada 9 =m. /- atmsfera cada 9 metros0, por lo que a m*s de :(( ; y :((( atmsferas/'((( metros0 se forman rocas metamrficas como las granulitas, eclogitas, gneises yesquistos. 3lgunas rocas son de alta temperatura y baja presin /dorsales oce*nicas0, o

baja temperatura y alta presin /)onas de subduccin0.!l entorno m*s frecuente en el que las rocas metamrficas est*n disponibles para elhombre, es la cadena montaosa en donde la erosin de una parte temporalmente

engrosada de la corte)a continental expone rocas gneas y sedimentarias que antesestuvieron profundamente sepultadas pudiendo sufrir cambios mineralgicos enrespuesta al incremento de presiones y temperaturas. 7i se tratara de una rocasedimentaria que ha sufrido metamorfismo, tras un posterior proceso de meteori)acinque altere su composicin qumica, con la presencia de agua pueden producirse silicatoshidratados y dixidos de carbono para generar carbonatos.?*s si el metamorfismo de las rocas sedimentarias comprende la produccin de vaporde agua, dixido de carbono y otras sustancias gaseosas excedentes, el metamorfismo delas rocas gneas incluye por lo general la absorcin retrgrada de los vol*tiles sealados,que son tomados de las masas sedimentarias que acompaan el proceso.

3l clasificar las rocas metamrficas es indispensable describir la roca en t"rminos de sutextura y su composicin qumica, as como de su mineraloga. !stos tres par*metrostienden a ser aplicados gen"ticamente, aunque pocas veces se pueda, decidir si una rocaes metamrfica, gnea o sedimentaria, pero s con mejor aproximacin si ella es gneoEmetamrfica o sedimentarioEmetamrfica, ya en atencin a las facies minerales, a latextura que proporciona una valiosa escala de t"cnicas o a los distintos contextos quefacilitan la asociacin.;on alguna aproximacin, las principales rocas metamrficas son5 a partir de la lutita, yconforme aumenta la presin y la temperatura, la pi)arra, la filita, el esquisto y el

paragneis1 a partir de la arenisca /cuar)osa0, la cuarcita1 a partir de la cali)a, el m*rmol1


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a partir del basalto /o rocas afines0, que es la vulcanita m*s abundante, la serpentina y laanfibolita, y a partir del granito, que es la roca plutnica m*s abundante, el ortogneis.1.2.13 La /4si!". 7i pudi"ramos ver el m*s espectacular de los fenmenos naturales,una erupcin volc*nica, obtendramos la evidencia directa de la existencia de material

rocoso fundido que surge del interior del planeta. !l calor del interior de la Tierra es unaconsecuencia de su proceso de formacin. 3l observar la superficie del planeta sonevidentes las transformaciones de su superficie5 volcanes y terremotos coinciden y seextienden sobre las jvenes cordilleras como una expresin en superficie de los

procesos din*micos que convulsionan al planeta en su conjunto.!l colapso gravitacional de la nube de gas primog"nita dej como herencia la energa deacrecin y la rotacin del planeta. 7u forma esf"rica por accin de su propia gravedad,es el resultado de una masa que ha sobrepasado cierto lmite. 3 su ve) la masa de gas y

polvo primog"nita vena siendo el fruto de materia reciclada en el interior de los astrosen donde se cocieron elementos de diferente n2mero atmico, incluyendo la formacin

de elementos radiactivos.La sismologa es el m"todo geofsico m*s revelador en lo que a contraste estructural enel interior de la Tierra se refiere. !l estudio de la gravedad tambi"n proporcionainteresantes observaciones, pues sus cambios reflejan faltas de homogeneidad lateralesen la masa del interior del planeta. !l magnetismo y paleomagnetismo de las rocas hacontribuido en mayor grado a la aceptacin general del concepto de tectnica de placas.7i a estos datos se agregan los beneficios de la geoqumica y la astrofsica, podremosconcluir en modelos fsicos que expresen las capas m*s internas de la Tierra con sucorrespondiente composicin estimada a partir de istopos.+or ra)ones t"rmicas y de presin, a gran profundidad las rocas son susceptibles detransformarse en magma. n descenso de la presin obliga a la fusin de los materialesque a gran profundidad est*n sometidos a elevadas temperaturas. +or el gradientegeot"rmico, en los primeros Hm. de la corte)a, la temperatura es extremadamente alta,

pero la presin ser* suficiente para que las rocas est"n en su fase slida1 se requierensismos y movimientos de la corte)a para que se despresurice el medio y as, las rocas

por calor se fundan.6tras fuentes de energa para la fusin de las rocas las proveen las corrientes deconveccin del manto, la friccin entre placas tectnicas y la presencia de elementos

radiactivos.


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CAPI5ULO 2MA5ERIA 6 ENERG7A

2.1 IN5RODUCCIN

!l estado fsico de los cuerpos desde el punto de vista cl*sico, es5 slido, lquido ygaseoso.

igura 9. !stados de la materia. !l cambio de estado recibe los nombres que seala eldiagrama. Los estados son tres5 slido, lquido y gaseoso.

!n el estado slido la materia tiene un volumen determinado y una forma fija1 en ellquido tiene tambi"n volumen fijo pero no as una forma determinada y en el estadogaseoso no tiene volumen fijo ni forma determinada.Los gases son menos densos que los slidos y que los lquidos. @e manera muygeneral, el contraste de densidades entre slidos y lquidos es bajo, permitiendo afirmarque sus densidades son relativamente iguales. Los cambios de fase entre los diferentesestados son los de la figura 9.

2.1.1 C$"c&*t$s A"tig4$s s$8r& la mat&ria. Tales de ?ileto /Grecia, '8( a I8J 3. ;.0,tomaba como pie)a angular de la materia el agua. @emcrito de 3bdera /Tracia,8'(E9IJ a;.0, deca que lo 2nico eterno e inmutable era la materia, susceptible dedescomponerse en corp2sculos indivisibles llamados *tomos.


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3ristteles de !stagira /948 a 9:: 3. ;.0, propuso un esquema tan perfecto que, aunquepermiti el desarrollo de la ciencia en su momento, paradjicamente la retard hasta elsiglo $%&&, cuando irrumpieron los alquimistas.

igura 8. Los elementos aristot"licos5elementos y en min2scula las propiedaformarlos. 3daptado de Fumica, . @e @i

7eg2n 3ristteles la materia puede tener las siguientes propiedades5 fra o caliente yh2meda o seca1 en ninguna pareja de estados hay estados intermedios1 si unimos dos deestas propiedades podemos obtener los cuatro elementos b*sicos de la materia, as5 defro y h2medo el agua, de caliente y seco el fuego, de caliente y h2medo el aire, y defro y seco la tierra. La quinta esencia, o el "ter, ser* el quinto elemento, propio del reinoexterior donde est* lo inmutable.

3unque no eran claros los conceptos de gravedad y densidad para explicar la cada yflotacin de los cuerpos, se proceda a decir que la tendencia de la Tierra era a desalojarel elemento agua y a su ve) el agua al elemento aire. !l aire estara siempre por encimade los tres elementos restantes por tener mayor levedad que ellos, pero por debajo delfuego. @e esta manera los cuerpos con mucha gravedad se precipitaban en los fluidos ylos cuerpos con mucha levedad flotaban en ellos.;uando el m"todo inductivo se impone sobre el m"todo deductivo y la comprobacinsobre la demostracin /siglo $%&&0, la ciencia despega nuevamente en lo que se conocecon el nombre de !l Cenacimiento, cuyo m*ximo exponente es Galileo Galilei /-I'8E

-'8:0, fundador de la ciencia moderna.

2.1.2 C$"c&*t$s act4al&s s$8r& la mat&ria. 7eg2n 3lbert !instein /-4J>E->II0, en suteora de la Celatividad, materia y energa son dos aspectos de una misma cosa1 esteconcepto permite comprender mejor que el *tomo es divisible. Las partculaselementales, que lo constituyen todo, clasificadas por sus interacciones, son :8 con suscorrespondientes antipartculas5 seis leptones /electrn, tau, mun y suscorrespondientes neutrinos0, seis quarHs /arriba, abajo, cima, fondo, extrao yencantado0 y doce bosones /gravitn, fotn, ocho gluones, y las partculas K y 0. !stas

partculas elementales tienen masa, excepto el fotn y el gravitn.


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!xisten cuatro fuer)as fundamentales en la naturale)a5 la gravedad asociada a losgravitones, es de enorme alcance y act2a en una sola direccin E es la m*s tenue E1 laelectromagn"tica asociada a los fotones, es de gran alcance y act2a en dos direcciones1la interaccin fuerte asociada a los gluones, es de corto alcance, liga al n2cleo atmico ysupera en dos rdenes a la fuer)a electromagn"tica1 la interaccin d"bil asociada a las

partculas K y , es la tercera en intensidad y de corto alcance, y explica laradioactividad.3n*lisis cada ve) m*s detallados ponen de manifiesto que las diferentes fuer)as de lanaturale)a son en realidad manifestaciones de muy pocas Etal ve) unaE fuer)asfundamentales. Todas las interacciones conocidas pueden reducirse en 2ltimo t"rmino alas cuatro formas sealadas.;uadro -. Las fuer)as de la naturale)a.

-. !lectromagnetismo/)a !l"ctr. y )a ?agn"t.?axBell, -4'(0:. uer)a nuclear d"bil

uer)a !lectrod"bil+ara dos fuer)as/einberg, 7alam ->'J0

Teora de la Grannificacin /->4(0para tres fuer)as

Teora de la72per nificacinpara las cuatro fuer)as

9. uer)a nuclear fuerte8. Gravedad

3cademia 4'.

!l electromagnetismo y la fuer)a nuclear d"bil, si bien difieren mucho en su modo deactuacin, son en realidad dos aspectos de una misma fuer)a electrod"bil unificada.

Cesultados recientes parecen indicar que la fuer)a nuclear fuerte, tambi"n de car*cter


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muy distinto, puede incluirse a su ve) en este esquema en una teora de gran unificacin/GT0, faltara slo incorporar la gravedad, como se muestra en el siguiente esquema.Los quarHs forman protones y neutrones. La tercera fuer)a explica la unidad de los

protones en el n2cleo atmico mientras la segunda fuer)a explica cmo el n2cleo

captura a los electrones /las cargas iguales se repelen y las cargas contrarias se atraen0.!l electrn, el protn y el neutrn tienen masa1 en el electrn la carga es E-, en el protnes M- y en el neutrn es (. La masa del protn, similar a la del neutrn, es -48( veces ladel electrn.La materia se compone de *tomos, "stos de electrones, protones y neutrones. Los*tomos son la unidad m*s pequea de un elemento y poseen masa y carga el"ctrica. !nel *tomo normal el n2mero de electrones y protones es igual. n ion es un *tomodesequilibrado por la va de los electrones1 si es de carga positiva recibe el nombre decatin, pero si ella es negativa, ser* anin. n istopo es una forma alterna de elementosy se produce desequilibrando un *tomo por la va de los neutrones. !n el hidrgeno no

hay neutrones1 en los *tomos de elementos livianos, el n2mero de neutrones y protoneses igual1 en los pesados el n2mero de neutrones supera al de protones.

Los elementos se combinan para formar compuestos. !n estado natural, conocemos >:clases de elementos /del hidrgeno al uranio0, los dem*s son artificiales1 en estadoambiente solamente dos elementos son lquidos /bromo y mercurio0. Los compuestosson combinaciones de *tomos de elementos, y la mol"cula es la unidad m*s pequea deun compuesto. Los elementos m*s all* del uranio son artificiales.

2.2 CONS5AN5ES EN LA 5EOR7A 97SICA@ebemos distinguir entre aquellas magnitudes que son constantes simplemente porqueno cambian, y las constantes universales fundamentales. La masa de la Tierra, porejemplo, es aproximadamente constante, pero existen otros planetas con masas muydiferentes a la de la Tierra. +or otra parte, la masa de todos los electrones es la misma,independientemente del lugar que ocupan en el universo.!l n2mero de constantes universales verdaderamente fundamentales que conocemos es,en realidad, muy pequeo. 3 continuacin se muestra una lista de constantes

fundamentales que determinan en gran medida las caractersticas esenciales de la mayorparte de las estructuras fsicas conocidas.

?uchas de estas caractersticas son notablemente sensibles a los valores de lasconstantes y a determinadas relaciones num"ricas aparentemente accidentales entreellas. Day que sealar que la constante de Dubble y probablemente la constantecosmolgica no son en realidad constante, sino que varan a escalas de tiempocosmolgicas y que la constante de Aolt)mann y la permisividad del vaco son merosfactores de conversin entre dos sistemas de unidades.

Tabla -. Lista de constantes fundamentales y magnitudes derivadas


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7istemaTamao

/m0

;aractersticaestructural

?asa/=g0

Tiempo caracterstico/seg0

Gravedadcuanti)ada

-(E9I !structura esponjosa -(E4 -(E89

FuarHs, leptones N-(E-4 +artculas elementales R N-(E:' +artculasnucleares

-( S-I nin de quarHs -(E:J -(E:8


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-(4 ergios una cerilla encendida.-(-: ergios camin a gran velocidad, desli)amiento de tierra-(-4 ergios impulso inicial de un cohete 3tlas, una avalancha-(:( ergios la primera bomba atmica. n rayo.-(:8 ergios bomba de hidrgeno. Terremoto destructor

-(:4 ergios calor que pierde la Tierra en un ao.-(9: ergios calor recibido por la Tierra durante un ao.-(9' ergios giro de la Tierra sobre su eje.-(8( ergios calor del 7ol en un ao o una rotacin de la Tierra sobre su

rbita.-(84 ergios explosin de una estrella supernova.3daptado de Aoot y itch5 La &nestable Tierra y de 3tlas de lo !xtraordinario5enmenos


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intercambiar demanera directaenerga mec*nica porqumica o radiante,seg2n lo muestran las

lneas del diagrama.

Las formas de propagacin t"rmica son5 transmisin, radiacin y conveccin. Latransmisin es el paso de calor por contacto /calentando la base de una cuchara secalienta el mango0. La radiacin es un fenmeno de emisin /recibir calor del fuego deuna chimenea0. La conveccin supone el flujo de la materia /el agua en una cacerolaque se calienta5 en el fondo el agua caliente se dilata, pierde densidad y puede ascender1estando arriba se enfra, gana densidad y desciende para calentarse de nuevo0.La expresin de !instein /->(I0, ! U ?;:muestra la identidad entre masa y energa.

3s, de un Hilogramo de materia podemos obtener la siguiente energa atmica5! U - =g x /9((.((( Hm.Oseg0:

! U -.((( g x /9(.(((.(((.((( cmOseg0:! U > x /-(0:9ergios

!sta energa equivalente a --((( millones = hora, es suficiente para tener unaplancha el"ctrica funcionando durante un milln de aos, dar -4(((( vueltas en carro almundo o 8(( en un petrolero.7e ha visto la relacin de masa entre los electrones y protones o neutrones, por lo que eln2cleo tiene el >>.>IQ de la masa del *tomo. 3s, la densidad del n2cleo es de -((millones de toneladas por cm9de protones, mientras el di*metro del *tomo vara entre:(((( y :((((( veces el di*metro del n2cleo, y en promedio es de dos unidades3mstrong /:V0. La unidad de Aohr es el radio del primer orbital del *tomo dehidrgeno, igual a (.I9 V.

igura '. !spectro electromagn"tico. ?uchos tipos de radiacin distintas fsicamente, son ondas electroen tamao. La radiacin electromagn"tica tiene el doble car*cter de onda y de partcula. Tomado de@uque !scobar.


1

2.+.1 Es*&ctr$ ,& la &"&rg%a ra,ia"t&.La energa radiante se transmite por ondas electromagn"ticas a la velocidad de la lu). !lespectro electromagn"tico es un contenido continuo de frecuencias, en el cual se sealala longitud de onda ventana por ventana. @onde "sta es corta, la frecuencia y la energa

son altas y donde es larga, la frecuencia y la energa son bajas. %er fig. 7iguiente.La lu) visible solamente ocupa una estrecha banda donde la longitud de onda est* en elrango de 8 a J,9 micrmetros Las ondas muy largas /mayores de - metro0 correspondena radioEondas, mientras las muy cortas /menos de la -( millon"sima de centmetro0corresponden a los rayos gamma.!ntre ellas se encuentran otras radiaciones conocidas como los rayos gamma /asociadosa cuantos del n2cleo atmico0, $ provenientes de la envoltura electrnica del *tomo0,ultravioletas /fluorescente y de alta influencia biolgica0, infrarrojos /radiacincalorfica0, y ondas radioel"ctricas /microondas, radioEtelevisin, radarW0.

Las im*genes de sat"lite, las fotografas a"reas y las im*genes de radar, soninstrumentos definitivos en la prospeccin y evaluacin de los recursos naturales y en eldiseo de obras para el modelado que hace el hombre de la naturale)a. +ara el efecto esimportante conocer el poder de penetracin de cada frecuencia y la sensibilidad dealgunas sustancias qumicas a diferentes radiaciones, cuando las im*genes se tomandesde aeronaves o desde tierra.Las im*genes de radar penetran la vegetacin y las nubes pero las m*s comerciales sonim*genes inclinadas, que abarcan un gran territorio pero no posibilitan c*lculofotogram"tricos. Las fotografas a"reas muestran im*genes donde las nubes y lavegetacin perturban la visibilidad1 las m*s comerciales son fotografas verticales quefacilitan los c*lculos fotogram"tricos1 estas im*genes de proyeccin central permitenelaborar planos topogr*ficos.Las im*genes de sat"lite en diferentes bandas se constituyen hoy en la mejorherramienta de prospeccin y comunicaciones, para lo cual ;olombia cuenta con su

propia rbita geoestacionaria.

2.- DE5ECCIN A DIS5ANCIA POR RADAR

Day varias actividades en donde la exploracin de la Tierra se hace desde el espacio. !nla deteccin a distancia por radar se puede sealar la arqueologa, para poner enevidencia empla)amientos humanos ahora cubiertos por densa vegetacin,especialmente en tierras bajas, en las que se registran abundantes lluvias. ;on el m"todose han identificado m*s de 9(( centros de civili)acin ?aya. Tambi"n la ca)a dehuracanes con radar, aprovechando la correlacin entre la rugosidad de la superficieoce*nica Edetectable por el sistemaE y la velocidad del viento.

2.-.1 O8s&r;aci!" ,& ti&m*$ m&t&$r$l!gic$. La observacin del tiempo

meteorolgico se soporta en sat"lites, pronsticos num"ricos, modelos del clima ysondeos de la atmsfera con l*ser /para medir distancias aprovechando la reflexin de la


1

lu) sobre mol"culas de aire, nubes, polvo y aerosoles0. Los meteorlogos disponen enla actualidad de una red de im*genes de radar tomadas desde sat"lites, proyecciones porordenador e informes actuali)ados al minuto, procedentes de estaciones clavesdistribuidas sobre un territorio. !n los 2ltimos modelos de sat"lite meteorolgicos, lasc*maras de televisin se han complementado con sensores multiespectrales en las

regiones del infrarrojo y de las microondas, lo que ha ampliado el alcance de lasaplicaciones Eadem*s de observacin de nubes, se observa la corriente del Golfo, lascorrientes ascendentes con carga biolgica y las *reas cubiertas por hieloE.2.-.2 2.-.# 2.-.2 O8s&r;aci!" ,& l$s $ca"$s. La observacin de los oc"anos, para evaluarsu temperatura superficial, la produccin marina primaria, la circulacin oce*nica, lacartografa de los fondos marinos y los hielos polares. !n efecto, la temperatura de lasuperficie marina utili)ando sat"lites meteorolgicos


1

demogr*fico, recursos naturales que administrar, *reas afectadas por contaminacin ysus correspondientes tasas.!l ndice de refraccin de las manchas originadas por vertidos de petrleo y lascaractersticas de radiacin en la regin del infrarrojo t"rmico de "ste producto, son un

buen ejemplo de la aplicacin de "sta herramienta, 2til tambi"n en la deteccin de otroscontaminantes superficiales, como de aguas residuales no tratadas y contaminacinatmosf"rica en *reas urbanas e industriales.

2.-.' Cart$gra/%a ,& r&c4rs$s mi"&ral&s. Los depsitos minerales se manifiestan dediversas maneras, la mayora son inapreciables a simple vista pero s detectables porvariedad de sensores de longitudes de onda afuera del espectro visible.;on im*genes de sat"lite es posible perfilar fallas, )onas de fractura y contactos, queconstituyen *mbitos en donde pueden encontrarse los criaderos minerales y que se

reflejan en las im*genes de sat"lite como lineamientos de buen contraste. Cocasplegadas o domos que pueden constituirse en trampas de petrleo o gas, tambi"n sondiscernibles, como lo son depsitos y yacimientos metalferos y no metalferos por ladecoloracin de las rocas y anomalas en la vegetacin anunciando su existencia endeterminadas clases de suelos. ;on el radar se pueden penetrar espesas capas de nubes yde cobertura vegetal para observar el terreno desde el espacio, lo que hace competitivo

para regiones tropicales.

igura J. &m*genes desde el espacio5 3. La Tierra vista desde la nave 3polo. A. Tormenta tropical a trav"s de imagen

Tomado de ;osmos, ;arl 7agan.

Las im*genes Landsat son de gran utilidad para levantar planos geolgicos, debido a sucobertura regional con im*genes que abarcan -4I Hm. de lado. La combinacin de datosmultiespectrales puede hacer resaltar pequeas diferencias en las propiedades de lasuperficie, con lo cual es factible la diferenciacin de unidades geolgicas bas*ndose ensu reflectancia y apoyando el proceso con el an*lisis de rugosidad superficial aportado

por el radar. !n la tectnica de placas, adem*s de poner en evidencia anomalas t"rmicasligadas a actividad gnea en los m*rgenes de placas, es necesario medir la deriva de los

continentes. !l empleo del sat"lite Laser Cange /L7C0 y el 7istema de +osicionamientoGlobal /G+70, para determinar distancias, midiendo el tiempo que invierten los pulsos


2

de lu) en llegar al sat"lite y retornar a la estacin terrestre, facilita medidas geod"sicas,con errores de I( mm en I(( Hm., a lo largo de los aos.

2.-.+ E;al4aci!" ,& r&c4rs$s agr%c$las. Los planes de seguridad agroalimentariasuponen el flujo permanente de alimentos, y el alcance econmico y fsico a losmismos. Toda sociedad, ya se trate de una tribu primitiva o de una moderna culturaoccidental, trata llegar al autoabastecimiento de sus necesidades b*sicas.@esafortunadamente para la mayor parte de la humanidad, la calidad de vida se veafectada al dedicar esfuer)os para la obtencin de alimentos con propsitos desubsistencia, y agotar recursos para atender otras necesidades.!l deterioro ecolgico con ritmo creciente se manifiesta en la desaparicin de bosques ytierras h2medas, en el agotamiento del suelo vegetal y en la desertificacin. !l procesose acompaa de inadecuados m"todos de riego, sobre explotacin de acuferos, y

presin demogr*fica sobre escasos recursos alimenticios y otros recursos insuficientes.inalmente sobreviene la inestabilidad poltica y econmica que agrava la situacin. !saqu donde la moderna tecnologa y en especial la de los sat"lites de vigilancia, seconstituye en una herramienta 2til para obtencin de informacin, sin la cu*l el an*lisisy la solucin de los problemas a escala mundial se hace difcil.!l desmonte y clareo de los terrenos, la evaluacin de la desaparicin de la capasuperficial del suelo, la evaluacin de *reas de sequa y de sistemas de regado y la

previsin de las "pocas de hambre, son actividades que se soportan en la utili)acin delos sensores remotos.

2.-.- D&sastr&s. Terremotos, erupciones volc*nicas, grandes tormentas, inundaciones yguerras, generan *reas de desastre, donde los sistemas de informacin terrestre seinterrumpen y para los cuales la evaluacin global y oportuna de las p"rdidasocasionadas slo se puede lograr con el apoyo de los sensores remotos.Los sat"lites espas poseen un alto poder de resolucin y hacen factible la escucha decomunicaciones por radio y la deteccin telem"trica de misiles. Tambi"n permiten elcumplimiento de control de armamentos y se mantienen bajo control las actividadesclandestinas. !sta tecnologa al servicio de la humanidad con propsitos de mitigar los

efectos de los desastres naturales, y de incorporar recursos para satisfacer lasnecesidades humanas, se traduce en un factor de estabilidad y desarrollo.

2.-.0 D&t&cci!" ,&l m&,i$ am8i&"t&. ;omo los objetos sobre la superficie de la Tierrainterfieren con la radiacin electromagn"tica emitida por el sat"lite, pueden darsefenmenos de reflexin, refraccin, dispersin, absorcin o reemisin. ;uando dicharadiacin electromagn"tica es reemitida o reflejada, deber* atravesar de nuevo laatmsfera para que pueda ser captada por los sensores del sat"lite.


2

La mayora de los sensores electroEpticos son dispositivos de barrido multiespectral.!n estos dispositivos de barrido puede utili)arse un espejo que, con su r*pida oscilacin,dirige la radiacin a trav"s de un sistema ptico en donde los filtros la dividen en bandasespectrales individuali)adas. La ventaja de recoger datos en distintas bandas espectralesestrechas, radica en que, al proceder al revelado, es posible diagnosticar determinadas

caractersticas del terreno y variaciones experimentadas por los recursos naturales.!l tratamiento de los datos espectrales se digitali)a con el fin de identificar las pautas yresaltar al m*ximo los contrastes entre sus diversas clases o categoras. Latransformacin de los datos espectrales mediante el c*lculo de relaciones o diferenciasentre bandas espectrales, hace posible la cuantificacin de ciertos par*metros o surepresentacin num"rica, que puede ser tratada por m"todos matem*ticos en losordenadores.

#.1 EL SIS5EMA SOLAR


2

!st* constituido por el 7ol, > planetas, cerca de un centenar de sat"lites, 9( asteroidesmayores entre unos : mil catalogados y -(( mil millones de cometas a los cuales sedeben aadir nubes de gas y polvo. 3l formarse el remolino primog"nito, los elementosm*s pesados se ubicaron en el centro y los m*s livianos en la periferia, permitiendo deesta manera la formacin de planetas rocosos en el centro y gaseosos hacia afuera. La

locali)acin del sistema solar en la galaxia y la de la Tierra en este, han sido favorablespara el desarrollo de la vida. !sto apunta a las condiciones biofsicas y a la cantidad yproporcin de los elementos complejos.

#.1.1 El S$l. !l 7ol es una estrella en cuyo interior se dan reacciones termonucleares.Tiene una composicin del J(Q de D, :JQ de De y 9Q de otros elementos1 su masa de :x -(:JTon /99::J( veces la de la Tierra0 y su radio de -.9> x -( '=m. /-(> veces el de laTierra0, explican una aceleracin de la gravedad en su superficie de :.J8 x -( 8cmOseg:

/:J.> veces la terrestre0.

La rotacin es diferencial, as5 perodo ecuatorial de :I das y perodo polar de 9( das. Laradiacin solar de emisin es de 9.4 x -(:9=B y la recibida en la Tierra de slo -.J x -( -8

=B.!l 7ol se mueve con relacin al patrn local o de reposo /grupo de estrellas cercanas0, a:( =m.Oseg en direccin a D"rcules /punto llamado 3+!$, cerca a %ega de la Lira0. Latemperatura superficial vara desde I(((; en las manchas solares a '(((; en lafotosfera, mientras en el n2cleo es superior a los -( millones de ;. 7u densidad es de -((gOcm9en el n2cleo y en el conjunto del astro de -,8- gOcm9

#.1.2 La 5i&rra. 7u figura es parecida a la de una esfera de radio, r U '9J( =m., la masade la Tierra es, m U I,>J' x -(:Jg, y su velocidad angular de rotacin es, B U J,:>:--I x-(EI sE-. J. La densidad media del planeta es I,IgOcm9.

#.1.2.1 L&)&s ,& 1-#3?. 7on las leyes enunciadas sobre el movimientoplanetario continuo, y que son de gran utilidad para describir la distancia relativa entre loscuerpos celestes, las posiciones planetarias y en general el movimiento de cualquiercuerpo puntual alrededor de un centro de atraccin gravitacional.

igura 4. 6rbita elptica de un planeta en torno al 7ol. !n sombreado se ilustra la ley de


2

las *reas1 adem*s el 7ol ocupa uno de los focos de la elipse. 3daptado de !duardo Arieva,&ntroduccin a la 3stronoma.

-. Las rbitas de los planetas alrededor del 7ol son elpticas1 el 7ol ocupa uno de los

focos. La distancia planetaE7ol, es menor en el perihelio y mayor en el afelio.:. !l radiovector que une el planeta con el 7ol barre *reas iguales en tiempos iguales, portanto la velocidad en el perihelio es mayor que en el afelio.9. 7i tomamos dos planetas con sus correspondientes perodos de revolucin alrededor del7ol y las distancias medias respecto a "l, los cuadrados de los perodos de revolucin, T,son proporcionales a los cubos de dichas distancias, C.

T-:OT::U C-9OC:9

La Tierra describe su rbita sobre un plano llamado la eclptica. 7u eje de rotacin estainclinado :9:JX respecto de la perpendicular a la eclptica. Cecorre la rbita en 9'I.:'das. La rbita tiene una excentricidad de (.(-J. !l afelio es el : de julio y el perihelio el :de enero. +or la inclinacin del eje polar, existen estaciones en el norte, as5 solsticio deverano el :- de junio y de invierno el :: de diciembre y equinoccio, de primavera el :-de mar)o y de otoo el :9 de septiembre. !n el hemisferio sur, se invierten las fechas.!n el sistema solar las rbitas de los planetas son casi coplanares, las de menos son

?ercurio con Jy +lutn con -J. La rotacin y la traslacin, por regla general, son del al !1 es decir, son retrgradas respecto a la estrella polar. !n la rotacin son excepcin%enus y rano, que la hacen en sentido directo.

#.1.# Pla"&tas t&rr&str&s $ i"t&ri$r&s.7on los planetas comprendidos entre el 7ol y elcinturn de asteroides. !n su orden son5 ?ercurio, %enus, Tierra y ?arte, planetas durosy slidos, de pequeo di*metro y baja gravedad, por lo que su atmsfera resulta pocodensa y poco extensa. La rotacin sobre su eje /da0 es larga.

#.1.' Pla"&tas ma)$r&s $ &@t&ri$r&s. Los planetas gigantes, despu"s del cinturn deasteroides, son 2piter, 7aturno, rano y


2

#.1.+.1 Satlit&s r&g4lar&s. Los que tienen rbita circular, rotacin y traslacin al !/retrgrada0 y una rbita poco inclinada /casi coplanar con la del sistema solar0. @ichossat"lites y el planeta son cong"nitos.

#.1.+.2 Satlit&s Irr&g4lar&s. @e rbita extremadamente exc"ntrica y de plano muyinclinado, con rotacin y traslacin ! al /directa01 estos sat"lites se asocian a asteroidescapturados.


2

;uadro :. Ley de TitusEAode5 distancia a los planetas en unidades astronmicas

@ist. del 7ol a ?er %en Tie ?ar 3st up 7at ra 'M8EEE

-(,(

->:M8EEE

->,'

948M8EEEE

94,4

J'4M8

EEEEJJ,:

%alor real 3 (.9> (.J: -.(( -.I: EEE I.:( >.I8 ->.: 9(.( 9>.9

G. @uqueE!scobar. Gua 3stronmica,BBB.geocities.comJguiaastronomicaniversidad

>:.

+ara calcular en nidades 3stronmicas 3 la distancia entre los miembros del sistemasolar, de conformidad con lo que se ilustra en el ;uadro :, afinales del siglo $%&&&ohann @aniel Titus en -J'', se dedic a buscar una relacin aritm"tica de tipoexperimental entre las distancias desde el 7ol a los planetas. La encontr y su amigoohann !lert Aode la puli y populari), en -JJ:, por lo que se le denomin Ley deTitusEAode. !n ella cada n2mero de la 7erie (, 9, ', -:... se sum la ;onstante 8, y luegoel resultado, se dividi por -(, para obtener las distancias entre el 7ol y cada miembro delsistema solar. ;omo ejemplo, para ?ercurio, que en la 7erie tiene el (, la distancia al 7olvale /( M80O-( U (,8. +ara 7aturno que en la 7erie tiene el >', tenemos que />' M80O-( U

-(,(, y esa es su distancia al 7ol. !stos valores que se muestran en la pen2ltima fila del;uadro son en unidades astronmicas, 3, la distancia al 7ol seg2n la Ley de TitusEAode1mientras en la 2ltima fila se dan las distancias medias reales del 7ol a cada uno de los

planetas, para que se comparen los resultados empricos y los actualmente medidos.

#.1.0.1 &l$ci,a,&s ,& &sca*&. 7on las velocidades csmicas. La primera velocidad es lanecesaria para que un cuerpo orbite en un campo de gravedad con trayectoria elptica, y lasegunda, para que escape de "l con trayectoria hiperblica. @e la segunda velocidad, deescape, depende que un cuerpo celeste tenga atmsfera, pues semejante valor se comparacon la velocidad t"rmica de las mol"culas de gas, dada por la siguiente expresin que

involucra la temperatura ambiental T5

?ientras la segunda velocidad, de escape, en la Tierra es --,: =m.Oseg, las velocidades delas mol"culas de distintos gases a 9((= de temperatura, son menores5 la velocidadt"rmica de las mol"culas de hidrgeno es -,- =m.Os1 la de helio, (,4 =m.Oseg, y las denitrgeno y oxgeno, prxima a (,9 =m.Os. !sto quiere decir que la Tierra puede reteneren su atmsfera cualquier gas, pues su gravedad es suficiente para retener mol"culas que a

la temperatura media de la atmsfera terrestre alcan)an velocidades por debajo de laprimera velocidad de escape.

/mkTv[
http://www.geocities.com7guiaastronomica/http://www.geocities.com7guiaastronomica/http://www.geocities.com7guiaastronomica/


2

La primera y segunda velocidad de escape son de la forma5

7iendo g el campo de gravedad y C la distancia media del cuerpo que rbita al centro demasa. La diferencia entre la primera y la segunda expresin es la ra) de dos, ra)n por lacual en la tercera expresin se expresa una en funcin de la otra.7ea el momento para describir los ambientes que pueden posibilitar las atmsferas de los

planetas del sistema solar, en t"rminos de las principales variables fsicas relevantes para

la vida como la conocemos en la Tierra 7e incluye a la Luna como escenario estrat"gicopara la logstica y la investigacin espacial. Los valores de la siguiente tabla tambi"nexplican aspectos de los oc"anos y montaas en los planetas, particularmente latemperatura y la gravedad.

;uadro 9. Las atmsferas y las gravedades de los cuerpos del sistema solar.

;uerpo Cadio/m0

GravedadTierraU-

@ensidadTierraU-

Temp./=0

;omposicin3tmsfera

7ol?ercurio%enusTierraLuna?arte2piter7aturnoTit*nrano9 (,-9(,J>

-,(> (,('

(,:I(,>4

(,>I -,(( (,'- (,J- (,:8 (,-:I (,98 (,:-' (,:4' (,9'

IJ4(8((:>(:I(:I(:((--(4(4(II8I8(

eE, DM, D, De@espreciable;6:,


2


2

#.2.2 5&$r%a ,& la N&84l$sa =E;$l4ti;a?7imn Laplace, -J>'. 7upone una bola de gascaliente en rotacin la cual, al enfriarse la masa, sufre achatamiento y de "ste modo eldesprendimiento gradual de anillos del sistema. +or cada anillo ecuatorial separado de lanebulosa se forma un planeta del sistema solar, a partir de n2cleos de acrecin.

#.2.# 5&$r%a Pla"&t&simal =Catastr!/ica?. ;hamberlainE?oulton, ->(I. 7upone unaestrella que se aproxima al 7ol para arrancarle hincha)ones gneas1 estas explosioneslevantan materia pero los bra)os que caen chocan con bra)os en ascenso, resultando de lascolisiones pequeas esferas de tamaos variables y rbitas diferentes llamadas

planetesimales5 del choque entre ellas se formar*n los planetas.

#.2.' 5&$r%a ,& la G$ta =Catastr!/ica?eansEeffreys, ->->. Cecoge las dos teorasanteriores. La estrella invasora al aproximarse al 7ol, le arranca una inmensa gota de gasen estado caliente que al enfriarse se fragmentar* produciendo esferas de tamao

ordenadamente variable /planetas0.

#.2.+ 5&$r%a Mag"&t$i,r$,i"mica =E;$l4ti;a?Doyle, ->'(. Las teoras evolutivashaban perdido su vigencia porque no explicaban por qu" mientras el 7ol tiene el >>.>Qde la masa del sistema solar, en los planetas se concentra el >4.(Q del momento cin"tico1ello da origen a teoras catastrficas que resuelven el problema mas el principio de lamagnetohidrodin*mica salva la dificultad y se regresa a las teoras evolutivas.

@ice el principio de la magnetohidrodin*mica que los gases responden a las leyes de lagravedad, la presin y la rotacin cuando se encuentran en un campo magn"tico sostenido

por una corriente el"ctrica, y esa ley gobierna las nubes de polvo compuestas de gasesioni)ados en r*pida rotacin. n gas ioni)ado es tan buen conductor de electricidad comoun alambre de cobre.La teora supone que a trav"s de esos gases que invadan el espacio, corran lneas defuer)a magnetohidrodin*micas a manera de hilos largos y el*sticos1 en las partes internasde los filamentos el gas era m*s lento que en las porciones externas. ;on el giro flexiblese favorecen las turbulencias dentro del sistema provoc*ndose el enroscamiento yalargamiento de los hilos en espiral y, al mismo tiempo, una transferencia del momento

angular hacia las porciones exteriores, donde se formar*n posteriormente los planetas,todo, a expensas de la parte central enriquecida de masa y donde se formar* el 7ol.

#.# 9ORMACION DE LA 5IERRADace 8I(( millones de aos se forma la Tierra por aglomeraciones de partculas slidasdel espacio1 pero el calor de la acrecin /por el colapso gravitacional0 y el dedesintegracin de elementos radiactivos, produce el n2cleo de hierro lquido rodeado demateria turbulenta /calor0.


2

+osteriormente por diferenciacin de densidades de masa, el n2cleo se rodea de un mantoy "ste de una corte)a primitiva. Los gases atrapados por el manto escapan de la corte)a

produciendo una atmsfera enriquecida en agua. 7eguidamente sobreviene laprecipitacin para formar los oc"anos, en un proceso que dura -I(( millones de aos.;omo resultado aparece la atmsfera en la que el oxgeno se liberar* gracias a la lu)

ultravioleta y a la fotosntesis de los primeros organismos vivos.!n la atmsfera inicial, tan similar a la de las actuales emanaciones volc*nicas, el JIQ esvapor de agua, mientras en la actual atmsfera actual es slo del 8Q.La vida en la Tierra se inicia en los oc"anos hace m*s de 9((( millones de aos. !n estahistoria de evoluciones el clima ha mostrado dram*ticas modificaciones. !l 2ltimo

perodo glaciar termin cerca de -(((( aos atr*s y al retroceder los hielos, el nivel deloc"ano comen) a subir r*pidamente, alcan)ado su nivel actual '((( aos atr*s.

igura >. @iagrama temporal. !l diagrama muestra cu*nto tiempo hace que ocurrieronalgunos acontecimientos importantes. 3daptado de !l niverso @esbocado, +aul @avies.

Los 2ltimos I(( millones de aos de la historia del niverso, en la igura >, se amplificancon un )oom, entre y


3

LA 5IERRA SLIDA 6 9LUIDA

'.1 A5MOS9ERA

3 nivel del mar la presin es de una atmsfera /una columna de -( m de agua - =g.f O

cm:0.

Tabla 8. ;omponentes del aire seco al nivel del mar.

?ol"cula Q en volumen ?ol"cula Q en volumen

I =r (,(((--

3r (,>9 D: (,((((I

;6: (,(9- ;D: (,((((:


3

>:.

La composicin porcentual de la atmsfera est* dominada por el nitrgeno /J4.44Q0 y eloxgeno /:(.>IQ0. !n los primeros niveles de la atmsfera /regin de la troposfera0, elgradiente de densidad disminuye5 cada I.I Hm. en altitud se supera el I(Q de la masaatmosf"rica, por ejemplo a -- Hm. de altitud, se tiene por debajo el JIQ y por encima el:IQ de la masa atmosf"rica1 tambi"n en esta regin el gradiente t"rmico cae, pues latemperatura promedio disminuye en '; por Hilmetro de elevacin.

!l nitrgeno atmosf"rico se recicla mediante las actividades humanas y la accin de losmicroorganismos sobre los desperdicios animales. !l oxgeno es reciclado principalmente

por la respiracin de los animales y las plantas mediante la accin de la fotosntesis. !l

dixido de carbono, que se me)cla con el aire, se recicla mediante la respiracin y lafotosntesis en la direccin opuesta al oxgeno, pero tambi"n bajo su forma de D:. !lo)ono es el producto de la escisin de la mol"cula de oxgeno en *tomos individuales, poraccin de la radiacin solar, y que se une a mol"culas de oxgeno biatmico.

igura -(. Cegiones t"rmicas de la atmsfera. Tomado de !l ;lima uturo, ohn Gribbin.

Fumicamente la atmsfera se divide en tres capas5 la homosfera sobre los primeros -((Hm., con proporcin constante de componentes1 la heterosfera, hasta los >(( Hm., con

predominio de gases ligeros, y la exosfera, donde se da el escape de las partculas ligeras.


3

+ero tambi"n fsicamente la atmsfera puede dividirse convenientemente en capast"rmicas, donde el nivel m*s bajo es la troposfera o esfera de cambios variables, es decir,de cambios meteorolgicos1 all las nubes se pueden clasificar como bajas hasta :I((m.s.n.m., intermedias entre :I(( y '((( y altas por encima de los '((( m.s.n.m. +or el

color y el ambiente las nubes pueden ser de agua o de hielo1 las primeras dan coloresgris*ceos debido al agua ya condensada, y en las segundas se trata de vapor de agua pordebajo del punto de congelacin, origen del grani)o. +or la morfologa se denominan lasnubes como estratos, nimbos, c2mulos y cirros.

+or encima de la troposfera est* la estratosfera, a unos -( Hm. de altitud1 es la regin delas corrientes de chorro de la )ona de interconfluencia tropical que genera los cambiosclim*ticos de lluvia y sequedad intertropicales. 3 9( Hm., y dentro de la estratosfera, est*la capa de 6)ono de la cual depende la vida en la Tierra1 m*s arriba est* la regin calienteque termina en la estratopausa a unos I( Hm. de altitud. !l clima bimodal de ;olombiaest* controlado por la )ona de interconfluencia tropical. 7e trata de un !cuador

meteorolgico donde convergen los 3lisios del nordeste y sudeste.

?*s arriba se encuentra la mesosfera donde la temperatura cae hasta E4(; y que terminaen la mesopausa a 4( Hm. de altitud.

+or encima de la mesopausa se da la reflexin de las ondas de radio en la noche y pordebajo de ella la reflexin en el da. !n la mesopausa se presenta un contraste brusco detemperaturas pese a que la densidad del aire es del orden de la millon"sima de gOcm9.

La 2ltima regin es la termosfera, llamada ionosfera porque las capas de la regin est*n

calientes y enrarecidas1 all se forman las auroras polares.3 :(( Hm. orbitan sat"lites para observar la superficie del planeta, 2tiles en estudiosgeolgicos, militares y evaluacin de cosechas1 a >(( Hm. los sat"lites para observar elespacio exterior5 es la altura alcan)ada en programas tipo trasbordador. 3lgunos sat"litesde observacin meteorolgica se ubican a 9I((( =m., desde donde obtienen una visin

panor*mica del planeta.

3 m*s de >(( =m., en la exosfera, se hacen investigaciones relacionadas con los nuevosmateriales y la biotecnologa, dos tecnologas que entrar*n en escena para el tercermilenio.

!n la exosfera tenemos la magnetosfera alcan)ada por los rayos csmicos, es la )ona delas fajas de %an 3llen. La presin del viento solar ejercida sobre la magnetosfera generauna deformacin del campo magn"tico terrestre y una din*mica de pulsaciones. !n las"pocas de tormentas magn"ticas solares, asociadas a los ciclos mensuales de manchassolares, la intensidad del campo magn"tico terrestre muestra bruscas oscilaciones queinterfieren en las medidas de prospeccin magnetom"trica que ejecutan los geofsicos. !simportante el magnetismo terrestre no slo por las posibilidades que genera para lanavegacin sino tambi"n para la prospeccin de recursos minerales y administracin desistemas de riego 2tiles en los planes de seguridad agroalimentaria.


3

'.2 LA 5IERRA SLIDA

!s un geoide de capas conc"ntricas con densidad creciente hacia el interior y radio mediode '9J( =m. La observacin directa del interior de la Tierra slo es factible para las )onasm*s superficiales1 sobre la composicin y estructura del resto se dispone de la

informacin extrada de fenmenos naturales, principalmente del comportamiento de lasondas ssmicas.

;uando se produce un sismo parten desde el hipocentro ondas + y 7 que se propagan entodas direcciones siguiendo leyes perfectamente conocidas. 3s, las variaciones de latrayectoria y velocidad de estas ondas, obedecen a cambios de la naturale)a y estructuradel medio por el que viajan.

!n general, a profundidades pequeas, 9( a 8( =m. bajo los continentes y ' a -: =m.bajo los oc"anos, la velocidad aumenta bruscamente. 3 :>(( =m. la velocidad de lasondas + desciende en tanto que las ondas 7 desaparecen1 estos indicios se interpretan

como discontinuidades o )onas que delimitan capas en la estructura del planeta.

igura -- Trayectoria de las ondas ssmicas. 3 partir del epicentro las ondas marchan con trayectorias simil

la densidad de la Tierra responde a un modelo de capas esf"ricas conc"ntricas, cuya geometra se anuncia coTomado de LongBell y lint, Geologa sica.

!l modelo cl*sico resulta de la interpretacin del comportamiento de las ondas ssmicas.


3

atmico. @entro de ella, a 84( =m. de profundidad, esta la discontinuidad de los :( ,llamada as porque una estacin sismolgica ubicada a ::8( =m. del epicentro detecta uncomportamiento anmalo de las ondas ssmicas interiores /-son casi --: =m. sobre lasuperficie0.

Tabla I. !structura de la Tierra.;omponente ! structural +rofundidad

/=m.0+resin/Hbar0

@ensidad/=gOm90

Temperatura

/;0

;orte)a (EI( (E-(( (E9((( (EI((

@iscontinuidad de ?ohorovicic

?anto superior I(E8(( -((E-I( 9(((E9I(( I((E-JI(

Kona transicin 8((E-((( -I(E9:I 9I((E8I(( -JI(E:(((

?anto profundo -(((E:>(( 9:IE-9:I 8I((E-(((( :(((E9(((

@iscontinuidad de Gutenberg

((EI-(( -9:IE99(( -((((E:-(( 9(((E9'((

4'.

!l manto profundo con densidad entre 8.9 y I.I gOcm9, termina en la discontinuidad deGutenberg1 se considera slido y con ordenamiento atmico. ?*s al interior encontramosel n2cleo de e y


3

igura -:. ;orte ideal del planeta Tierra, estructura plana con acercamiento. Los valores dependen delTomado de La Tierra en ?ovimiento, Gribbin.

n modelo actual de la Tierra slida, a la lu) de la teora de la tectnica de placas y de latrayectoria de las ondas ssmicas debe asumir rangos de espesores de capas, densidades ycomposiciones de materiales terrestres, adem*s de irregularidades de forma y errores deobservacin. +ueden compararse los de la tabla anterior con los de la figura siguiente.

La corte)a est* dividida en grandes placas que se generan en las dorsales oce*nicas y sedestruyen en las fosas oce*nicas.


3

modelo isost*tico hori)ontal supone que cada punto de la superficie isost*tica soporta elpeso de una columna de 7&3L en la )ona de los continentes o de 7&?3 en las )onasoce*nicas.

!l proyecto ?6D6L!, nacido en el ao geofsico internacional /->I(0, propuso hacer

una perforacin para alcan)ar el manto terrestre cuya locali)acin se basa en lassiguientes premisas5 el 7&3L flota sobre el 7&?3 y entre ambos el contraste dedensidades es del -(Q /:.J y 9.(0, respectivamente. 7i un t"mpano de hielo emerge el-(Q sobre el agua /pues las densidades son (,> y -,( respectivamente0, lo mismo har* el7&3L sobre el 7&?3.

3s, la perforacin tendr* que buscar las grandes depresiones de la corte)a terrestre paraevitar las races de las montaas1 si se utili)an las fosas oce*nicas, obviando la

profundidad del oc"ano, sera necesario perforar 8 =m. de roca para alcan)ar el manto.

igura -9. ?odelos isost*ticos. 3 la i)quierda se ilustra el modelo isost*tico vertical de 3iry y a la derecha ede +ratt. ;on h se sealan los espesores y con las densidades.

!n la superficie isost*tica las presiones litost*ticas dependen del modelo asumido. @eber*tenerse en cuenta que el espesor medio de la corte)a en las )onas continentales es de '(=m., contra slo I =m. en las )onas oce*nicas, de conformidad con el principio de laisostasia.

Tabla '. ;omposicin promedio de la corte)a, del manto y del planeta Tierra.

Ma"t$ &" *&s$ C$rt&a &" *&s$ 5i&rra &" *&s$

O 88,(J O 8I,'( 9& 9I,((

Mg ::,'- Si :J,9( O 9(,((

Si :-,-( Al 4,9' Si -I,((

9& ',IJ 9& ',:: Mg -9,((

Ca :,:( CA 8,'' Ni :,8(

Al -,4J Mg :,J' S -,>(


3

Ma"t$ &" *&s$ C$rt&a &" *&s$ 5i&rra &" *&s$

5i (,89 Na :,:J Ca -,-(

Na (,8: 5i (,'9 Na (,IJNi (,-' (,-I Cr (,:'

'J \ ;omposicin en 9I gr de sales porlitro de agua de mar.

!n conjunto los mares, lagos y ros cubren el J(Q de la superficie de la Tierra y suman-.I(( millones de Hm.9. Los mares ocupan el 4IQ del volumen de las aguas de la Tierra.

+or la accin de las mareas, las corrientes marinas y el oleaje, se encuentranconstantemente en movimiento.


3

;olombia posee dos oc"anos y un lugar de privilegio por su posicin geoestrat"gica.3dem*s, es el cuarto pas del mundo por su rique)a hdrica, enriquecida de biodiversidad.!l fondo del mar es muy variado y posee gran rique)a de formas5 fosas, dorsales, cuencas,

plataformas, surcos, etc. !n el mar de )calo y en el talud continental, se contin2an las

formas de tierra firme. !n el perfil hipsogr*fico, el )calo continental se seala comoplataforma continental, la cual emergi en los perodos de glaciacin, y hoy se encuentracubierta de agua1 esta plataforma que llega en promedio a -I( m de profundidad,extendi"ndose :(( Hm. mar adentro, es de inter"s para las naciones por sus recursos

biolgicos y mineros.

?ar adentro el relieve oce*nico resulta muy accidentado, se presentan cordilleras cuyospicos explican arcos de islas y otras formas del relieve marino. La relacin entreprofundidades y alturas de las tierras sumergidas y emergidas muestra predominio de lasprimeras5 en la profundidad media es de 9J'( m /destac*ndose la fosa de las ?arianas a--(99 m de profundidad0 y en las emergidas el promedio alcan)a slo 4:: m

/destac*ndose el !verest con 4484 m0. !l promedio de una y otra porcin daaproximadamente 9((( m sumergidos.

igura -8. +erfil hipsogr*fico. @e i)quierda a derecha5 3. continente, A. plataforma continental, ;. talupel*gica, !. talud oce*nico, . fosa abisal. 3daptado de @iccionario Cioduero de Geologa.

'.' EL CLIMA MUNDIAL

Las )onas clim*ticas de la Tierra son una de las caractersticas m*s importantes delplaneta, que aparecen determinando el paisaje, la vegetacin y la vida animal, yestableciendo un lmite a la explotacin humana del entorno. Tienen un profundo efectosobre la cultura. Las condiciones clim*ticas determinan los niveles de actividadeconmica, y no es casualidad que los desarrollos industriales se localicen con preferenciadentro de la regin clim*tica templada.

!l clima, o modelo meteorolgico a largo pla)o de una regin, depende de varios factores5la latitud, que determina lo caliente o fra de una )ona, como la extensin e influencia desus estaciones1 las caractersticas de las masas de aire predominantes, sean calientes ofras y h2medas o secas, y los factores fsicos tales como la distribucin relativa de latierra, el mar, las montaas, los valles, los bosques y los glaciares.


3

Las regiones ecuatoriales son c*lidas durante todo el ao porque las masas de airellegadas a ella son c*lidas, h2medas y llevan lluvias regulares a lo largo de todo el ao.Los climas mon)nicos de la &ndia el sudeste asi*tico y ;hina deben sus caractersticas asus vientos estacionales provenientes de direcciones opuestas1 vientos c*lidos y h2medosque se alternan con otros c*lidos y secos para producir veranos nubosos y h2medos e

inviernos secos.

Los climas des"rticos propios de amplias )onas situadas a ambos lados del ecuador, est*nsituados en las regiones anticiclnicas y estables donde el aire c*lido y seco origina cielosdespejados y poca lluvia.

!n las altitudes medias de ambos hemisferios el aire subtropical c*lido suele yuxtaponerseal aire fro subpolar, lo que da origen a frecuentes perturbaciones. Las *reas de estas )onastienen el clima templado, disfrutando del aire subtropical en verano pero padeciendo eninvierno corriente ocasionales de aire fro subpolar.

Los climas mediterr*neos de ;alifornia, el sudeste de 3ustralia y la propia reginmediterr*nea se encuentran generalmente en las costas occidentales de los continentes contendencia a ser secos en verano y tener inviernos suaves y poco lluviosos.

?*s cerca de los polos, las regiones clim*ticas est*n controladas por las masas de airepolar, origen de tiempo fro y seco a lo largo de todo el ao con breves veranos soleados.

'.'.1 El clima *$lar.;omo el de %ostoH en la 3nt*rtida y Groenlandia, muestra inviernoslargos y fros, y casi ninguna precipitacin, pues los polos son desiertos.

'.'.2 El clima ,& taiga.;omo el de 3lasHa, la pennsula del Labrador y YaHutsH en la7iberia 6riental, muestra ligera precipitacin, veranos cortos y fros en inviernos largosmuy fros.

'.'.# El clima ,& m$"taFa.;omo el de ciudad de ?"jico y los andes suramericanos,muestra un clima que vara con la altitud, la latitud y la exposicin a los rayos solares.

'.'.' El clima ,& &st&*a.;omo el de ;loncurry 3ustralia, &r*n y


4

'.'.0 Clima m$"!"ic$ ) s48tr$*ical.;omo del de ?adr*s en la &ndia, la lorida y losLlanos 6rientales y la ;osta


4

cantidad de vapor de agua del aire y al contrario, cayendo la temperatura se pierde vaporde agua en forma de neblina, llovi)na o lluvia. La humedad es absoluta si alude a lacantidad de vapor de agua, en gramos, por unidad de volumen de aire, en metros c2bicos.La humedad relativa si alude a la proporcin de vapor de agua en relacin con el que

podra contener en el punto de saturacin. !sta se da en Q.

'.+.+ El 8rill$ s$lar.7on las horas de 7ol que llegan cada ao a la superficie terrestre.Las )onas con alta nubosidad tienen bajo brillo solar. +ara medirlo se usa el heligrafo,instrumento que concentra los rayos del 7ol en una esfera de cristal, y los hace incidir enuna cinta de papel que quema cuando la intensidad calorfica por centmetro cuadrado yminuto alcan)a m*s de (.4 caloras.

'.+.- La "48$si,a,.3lude a la cantidad de nubes que se presentan en la atmsfera,originadas por concentracin de vapor de agua y que pueden condensarse produciendo

lluvia. La presencia de nubes se debe a la circulacin de vientos intertropicales y de vallea montaa.


4

LOS MINERALES+.1 DE9INICION7on los principales constituyentes de las rocas de la corte)a terrestre1 se trata de sustanciasslidas naturales, y homog"neas de composicin qumica definida, disposicin atmicaordenada y fruto de procesos inorg*nicos.+ocos minerales forman rocas a pesar de que se conocen cerca de :((( especiesdiferentes, pues los silicatos y los xidos son los principales constituyentes de la corte)a,en ra)n de que ocho elementos lo hacen casi todo en la naturale)a. Los minerales

pueden formarse con base en un slo elemento, como el diamante con el carbono1 con doselementos, como la pirita /oro de los tontos0 con el hierro y el a)ufre, o con tres o m*selementos como los feldespatos o los piroxenos y anfboles. Tambi"n se pueden generarvarias especies minerales con un mismo elemento, como el diamante y el grafito con elcarbono, o con dos elementos como la pirita y la marcasita con el hierro y el a)ufre.

+. 2 ELEMEN5OS CLAESLos ocho elementos m*s importantes de la naturale)a, por su participacin, son5> O@%g&"$. !lemento no met*lico que por ser altamente reactivo forma xidos con casitodos los dem*s elementos. Dace parte sustancial del aire y del agua.


4

> Silici$. !lemento metaloide1 siempre aparece en los silicatos y en los aluminoEsilicatos,el m*s abundante de los cuales es el cuar)o. !l silicio se utili)a para aleaciones deferrosilicio.

;uadro I. !lementos m*s abundantes een la Tierra.

7&?A6L6!L!?!Q -.49Q?g -: M: (.J -.J8 :.(>Q (.:>Q

Total participacin en la corte)a>4.I>Q

-((.((Q

3daptado de Leet y udson. undamentos de geologa fsica, Limusa, ->4(.

> Al4mi"i$. !lemento met*lico1 siempre aparece en combinacin con otros elementos. !suno de los principales constituyentes de los silicatos. Cesiste a la corrosin, es ligero y

buen conductor el"ctrico. !s el principal componente de las aleaciones ligeras.> i&rr$. !lemento met*lico constituyente de xidos, silicatos, xidos hidratados,carbonatos y sulfuros. 7e encuentra tambi"n nativo y en aleaciones con nquel. !s el

principal constituyente del acero lo que lo hace el metal industrial m*s importante.

> Calci$. !lemento met*lico1 aparece en silicatos, carbonatos, sulfatos y fosfatos. !saditivo en la fundicin de metales para separar el oxgeno, el a)ufre, el fsforo y loshalgenos. !s 2til como agente reductor o deshidratador, en la qumica org*nica.> S$,i$. !lemento met*lico1 aparece en los silicatos y en los carbonatos hidratados. 7einflama al contacto con el agua. !s 2til como n2cleo de los cables el"ctricos.> P$tasi$. !lemento met*lico1 es el m*s com2n en los silicatos y aluminosilicatos. ^tilcomo fertili)ante en forma de cloruro, sulfato o en combinacin con nitrgeno y fsforo.> Mag"&si$. !lemento met*lico1 aparece combinado en silicatos, xidos, hidrxidos y

carbonatos. 7e utili)a en aleaciones ligeras de aluminio.


4

+.# CRIS5ALIZACIONn cristal es un slido, por regla general homog"neo, que posee un orden internotridimensional de largo alcance. Los cristales se forman a partir de fundidos, disoluciones

y vapores. !stos fluidos, caracteri)ados por un estado de desorden atmico, se solidificanpor variaciones en la temperatura, presin y concentracin. !l producto final, por reglageneral, resultar* con estructura cristalina, dado que los *tomos, iones y mol"culas,aparecer*n ordenados y ligados por fuer)as electromagn"ticas de enlace qumico.La cristali)acin a partir de un fundido, como el hielo a partir del agua o las rocas gneas a

partir del magma, se genera por el descenso de la temperatura a un punto en el cual lasmol"culas, iones y elementos disociados, conforme pierden la movilidad, se orientan yaproximan favoreciendo los enlaces de reaccin.La cristali)acin a partir de una disolucin, como la sal en agua, se produce por

sobresaturacin del solvente. 7i se evapora el agua, si pierde temperatura y presin, losiones de sodio y cloro se van separando de la solucin para edificar un cuerpo slidocristalino.La cristali)acin por un vapor de enfriamiento se presenta por la interaccin de sus*tomos o mol"culas que se aproximan entre s hasta solidificarse /desublimacin o previacondensacin del vapor0. !s el caso de la nieve formada a partir del vapor de agua.7i la velocidad de los procesos de solidificacin es alta, el ordenamiento interno, y conmayor ra)n el crecimiento cristalino, ser* deficiente. 3lgunas sustancias solidificar*ncomo agregados y por lo tanto sin estructura cristalina /vidrio01 semejantes slidos sonamorfos por lo que su estado debe ser considerado m*s bien como de lquido de elevadaviscosidad. ?inerales sin estructura cristalina reciben el nombre de mineraloides.Los cuerpos amorfos tienden a cristali)arse1 en algunos de ellos la velocidad detransformacin es muy baja, en tanto que en otros es tan r*pida que se convierte enexplosiva.

+.' ENLACES( ES5RUC5URAS 6 ALEACIONES

igura -I. !nlaces. 3rriba se ilustra un intercambio de electrones,satisface a un *tomo de sodio KU--. 3bajo, una forma de compartir!n ambos casos se forman mol"culas. Tomado de la ?ineraloga de


4

La estructura cristalina se mantiene por fuer)as de naturale)a electromagn"tica, as comolos protones sostienen el"ctricamente la nube electrnica, intraEatmica. La unin entre*tomos es posible por el estado el"ctrico de cada *tomo constituyente, expresado en su2ltimo orbital. !l tipo de enlace qumico puede ser predominantemente de una de las

siguientes formas, las que permiten estados de transicin.

+.'.1 E"lac& i!"ic$. La falta de electrones en un *tomo y el excedente en otro, puedengenerar una configuracin estable. !l catin de sodio, monovalente, y el anin de cloro,monovalente, dan como resultado una configuracin estable cuando se comparte elelectrn mediante un enlace electrost*tico.

+.'.2 E"lac& c$;al&"t&. La inestabilidad del anin de cloro, monovalente, hace que elelemento sea altamente reactivo en su estado monoatmico1 por lo tanto dos iones de

cloro pueden prestarse el servicio uno a uno compartiendo una pareja de electrones parahacerse inertes gracias a un enlace covalente. !ste enlace, en el que se compartenelectrones, supera en fuer)a al inico, de car*cter electrost*tico.

+.'.# E"lac& m&tlic$. Los metales, *tomos cuyos n2cleos tienen bajo control sobre loselectrones m*s externos, son conductores de la electricidad debido a su movilidad. @elmismo modo los *tomos de los metales pueden sostener enlaces met*licos de intensidadmoderada gracias a una nube de electrones que circunda el conjunto.

+.'.' Estr4ct4ras ,& car8$"$. !n su 2ltima rbita, que se satura electrost*ticamente con4 electrones, slo se encuentran presentes cuatro. !n esa segunda nube electrnica esdifcil conseguir que el *tomo pierda o gane electrones, por lo cual el carbono no seioni)a1 prefiere la combinacin con un m*ximo de cuatro *tomos compartiendoelectrones. combinaciones distintas.

+ero el ;arbono puede ligarse consigo mismo para formar el diamante, el grafito o elcarbn vegetal. !n el diamante los *tomos de carbono se ordenan tridimensionalmente entetraedros5 cada *tomo est* rodeado por cuatro compartiendo con cada uno un par deelectrones /el suyo y el de "l0.!n el grafito los *tomos se disponen en capas bidimensionales formando anillos de seis*tomos, cada uno de ellos con 9 vecinos cercanos /: de su anillo y uno del otro0, por loque el n2mero de electrones compartidos por *tomo es ', mientras los dos restantesquedan sin compartir /uno de cada *tomo01 eso s, su papel es contribuir a la firme)a delos anillos.


4

!n el carbn vegetal la sustitucin tiende a ser la del grafito y no la del diamante1 tambi"nexisten all capas de anillos hexagonales pero la extensin de cada arreglo es reducida y

por lo tanto el espacio de movilidad de los electrones no apareados tambi"n lo es.

igura -'. 3rreglos de *tomos de carbono. 3 la i)quierda dos capas o l*minas de grafito ya la derecha tres formas de empaquetamientos compactos de *tomos de carbono. 3daptadodel ?anual de mineraloga de @ana.

Los casos anteriores explican la mayor densidad del diamante, su dure)a /m*s *tomos y amenor distancia por unidad de volumen0, y la propiedad lubricante del grafito, materialconductor de la electricidad, de brillo met*lico y exfoliacin perfecta, gracias a lamovilidad de electrones no compartidos sobre un arreglo espacial ineficiente.

+.'.1 +.'.+ Estr4ct4ras ,& silici$. !l silicio, con id"ntica estructurra electrnica a ladel carbono y extendida variedad de compuestos, prefiere la unin con *tomos noid"nticos, como en el carbono, sino con otros que lo hacen m*s estable, por ejemplo,rode*ndose tetra"dricamente con oxgeno. !n este caso se forma un anin de silicatoestable con cuatro valencias negativas.Los cuatro electrones no apareados sirven para que el ion del silicato ligue cationesmet*licos. !sta estructura de tetraedros individuales es el grupo de silicatos denominadonesosilicatos. +ero esas cargas /de los 8 electrones0 sobre el silicio, pueden considerarsesobre los oxgenos. 7i se hace que uno de los oxgenos comparta su electrn con eloxgeno de un tetraedro adyacente, el nuevo ion silicatado tendr* seis electronesdisponibles para ligarse con iones met*licos que compensen su carga.

igura -J. Tetraedros de silicio. ;ompartiendo v"rtice /i)0, compartiendo arista /ce0 y compartiendo cara /de0. 3daptado del

de ?ineraloga de @ana.


4

!se desarrollo general en el cual los tetraedros de silicioEoxgeno se ligan compartiendo*tomos de oxgeno en una versin ampliada, puede hacerse por los v"rtices, paradegenerar en anillos /ciclosilicatos0 o en cadenas /inosilicatos01 por las aristas,degenerando en l*minas /filosilicatos0, y por las caras, degenerando en vol2menes

/tectosilicatos0.

+.'.- Al&aci$"&s. na masa met*lica est* constituida por iones met*licos, en los cualeslos electrones que sostienen el conjunto transitan sin sujecin a un n2cleo especfico/enlace met*lico0. La variedad del metal se da principalmente por la diversidad delelemento ioni)ado que participa de la masa. !l ?ercurio, elemento lquido, por lo generalforma amalgamas ya que la sustancia resultado de la unin del ?ercurio con otrosmetales es amorfa o es lquida.Las aleaciones, slidos con estructura cristalina, son factibles entre metales dependiendo

del tamao de sus iones, de la fuer)a con que atraigan a los electrones y del n2mero deelectrones cedidos por cada metal a la nube comunitaria.7i en sus espacios intraEinicos participan iones de gran tamao, "stos permitir*n que sedeslicen y acomoden iones de pequeo radio, aprovechando los agujeros para aumentar ladensidad, resistencia y dure)a de la masa. !s el proceso de fabricacin del acero5 seintroduce carbono al hierro y a veces otros metales /vanadio, cromo, volframio0, caso enel cual se tiene la aleacin con mejor resistencia mec*nica.6tra forma de aleacin se obtiene entre dos iones met*licos, el primero con mejor controlsobre los 2ltimos electrones que el ejercido por el segundo. !l enlace que predominar*entre los iones de ambos elementos emular* el enlace inico entre cloro y sodio. !soselectrones de baja movilidad har*n de la aleacin una sustancia mala conductora de laelectricidad. ;omo ejemplo se tiene la aleacin entre estao y magnesio.Los metales, por lo general con tres electrones lejanos en su 2ltimo nivel, tienen un enlacequmico que los tipifica. 7i se anali)a el )inc que cede dos electrones y el cobre quef*cilmente cede uno, uno y otro con estructura diferente, se formar* el latn /a vecesenriquecido con e, 7i, 7n, o 3l0 en una proporcin de una parte de )inc por dos de cobre,en la cual se presentar*n dos estructuras cristalinas me)cladas que en conjunto le dar*ncaractersticas diferentes a la masa final.

+.+ PROPIEDADES 97SICAS DE LOS MINERALESLas propiedades fsicas pueden ser ggenerales o especficas.Las g&"&ral&s, propias de los minerales con estructura cristalina, son5E Los minerales forman cristales, esas unidades macroscpicas que representan lacristali)acin de su estructura atmica.


4

E La forma externa, es funcin de la estructura cristalina1 no obstante, una especiepuede mostrar h*bitos debidos a variaciones en el n2mero, tamao y forma de las caras.Las &s*&c%/icas, 2tiles para la identificacin del tipo de mineral, son5

E ;rucero o ;livaje.E ractura.E @ure)a.E Tenacidad.E +eso especfico.E +ropiedades pticas.E +ropiedades electromagn"ticas.

+.+.1 Cr4c&r$ $ Cli;a&. n mineral no amorfo tiende al crucero o clivaje, cuando por

presin, se separe en planos de posicin con una geometra definida. 7e hablar* de

exfoliacin cuando se generen l*minas /la mica0, o de particin cuando se originen cuboso prismas /la magnetita0. !l crucero se califica seg2n su grado, de perfecto, bueno oimperfecto.La mica y el cinabrio tienen exfoliacin perfecta, pero el berilo y el apatito la tienenmenos definida, y la anhidrita no la presenta. Los cristales maclados, f*cilmente seseparan a lo largo de los planos de composicin, produciendo superficies de rotura enforma de particin.La magnetita muestra particin octa"drica, el piroxeno particin b*sica y el corindn

particin rombo"drica y la calcopirita, que generalmente se presenta en masas, puedepresentarse en cristales que parecen tetraedros.

+.+.2 9ract4ra. !s el car*cter de la superficie de rompimiento que muestra un mineralque no presenta exfoliacin o particin, sea el mineral amorfo o cristalino /en el segundocaso la ruptura podr* estar controlada por el crucero del mineral0.

7eg2n el tipo de superficie /no plana0, se hablar* de fractura concoidea /en concha0 comoel vidrio, la pirita y el cuar)o1 fibrosa /en astilla0 como la plata, el hierro y el cobrenativos1 ganchuda /dentada01 irregular /desigual0 como el oro nativo, etc.

+.+.# D4r&a. 7e define como la capacidad que tiene el mineral para rayar o dejarse rayar

por otros minerales u objetos1 depende de la estructura cristalina, y por lo tanto de lafuer)a de enlace qumico.La escala de ?6D7 /-4:80, de uno a die), califica la dure)a con prototipos, del m*s

blando al m*s duro as5

Tabla J. !scala de ?ohs.N


4

?ineral

@ure)a

;omposicin

7istema

6bservacin

Talco - ?g97i86-(/6D0: ?on Tacto graso, s"ctil

Yeso : ;a768.:D:6 ?on Arillo vtreo o sedoso;alcita 9 ;a;69 Com osforescenteluorita 8 ;a: &so !xfoliacin octa"drica3patito I ;aI/+6809/,;l,6D0 Dex !xfoliacin mala6rtoclasa ' =3l7i964 ?on eldespato pot*sico;uar)o J 7i6: ComEDex !l m*s abundanteTopacio 4 3l:7i68/,6D0: 6rt !xfoliacin perfecta;orindn > 3l:69 Com 3lterado pasa a mica@iamante -( &so Arillo adamantino3daptado de C. Arauns. ?ineraloga, Labor, ->:J y ;ornelius P ;ornelis. ?anual demineraloga de @3


5

7e entiende por peso especfico el peso de la muestra sobre el peso del agua a 8!;,cuando de ambas sustancias se contrastan vol2menes iguales. @icho valor depende de dos

par*metros5 la clase de *tomos y la estructura cristalina.

3lgunos ejemplos de minerales con su composicin, sistema cristalino, peso especfico/G0 y dure)a /@05

Tabla 4. +eso especfico y dure)a dee algunos minerales.

.9I :Aerilo Ae93l:/7i'6-40 Dexagonal :.'I E :.4( J _ E 4;erusita +b;69 6rtorrmbico '.II 9 S 9 _;obre ;u &soclnico 4.>( : _ E 9Grafito ; Dexagonal :.:9 - S :Dalita


5

7i la onda luminosa que cru)a el cuerpo es incoherente, el mineral ser* transl2cido1 comoejemplo la baritina. inalmente, si la lu) se refleja o queda absorbida, sin poder cru)ar elmaterial, la muestra ser* opaca1 ejemplo la galena.

> Brill$.!s el grado de reflexin que experimenta la lu) en los cuerpos opacos. 7i lareflexin es coherente /la superficie de rebote es pulida0, el brillo ser* m*ximo /met*lico0.7i la reflexin es incoherente /la superficie de rebote es rugosa0, el brillo ser* nulo /mate0.

igura -4 Ceflexin y refraccin de una ha) lu). 3. Ceflexin coherente y brillo met*lico, A. reflexin irefraccin coherente y diafanidad transparente, @. refraccin incoherente y diafanidad transl2cida.

La lu) es un frente de ondas multiespectral. 3lgunas frecuen

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