Tema 69

Aquest tema aborda la Terra com a cos planetari dinàmic: el seu origen en el context del Sistema Solar, la seua estructura i composició internes, i el llarg camí conceptual que va conduir des de les primeres teories orogèniques i la deriva continental de Wegener fins a la tectònica de plaques, el paradigma que unifica hui la geologia. El seu interès és doble. D'una banda, sintetitza els grans processos geològics interns —sismicitat, vulcanisme, formació de serralades— sota un únic marc explicatiu; d'una altra, constitueix un cas històric exemplar de com es construeix i s'accepta una teoria científica, amb les seues resistències i les seues revolucions.

En el temari del cos 590-007, aquest tema pertany al bloc de Geologia i enllaça amb els dedicats a la dinàmica externa, el magmatisme, el metamorfisme i el registre geològic. Convé abordar-lo tenint present l'escala del temps profund: els processos que ací es descriuen operen al llarg de milers de milions d'anys, una magnitud temporal que exigeix un esforç d'abstracció tant per a l'opositor com per al futur alumnat.

1. L'origen de la Terra

La Terra es va formar fa uns 4600 milions d'anys (Ma), de manera pràcticament simultània a la resta del Sistema Solar. La hipòtesi hui acceptada és la teoria nebular (amb arrels en Kant i Laplace i desenvolupada en la moderna teoria de l'acreció). Segons ella, una nebulosa de gas i pols interestel·lar —enriquida pels restes d'estrelles anteriors— va col·lapsar gravitatòriament, potser desencadenada per l'ona de xoc d'una supernova pròxima.

En contraure's, el núvol va girar cada vegada més de pressa per conservació del moment angular i es va aplanar en un disc protoplanetari amb una protoestrella central, el Sol, que es va encendre en assolir en el seu nucli les condicions de la fusió de l'hidrogen. En el disc, les partícules de pols van col·lidir i es van agregar per acreció, formant cossos creixents: grans, planetesimals (de km) i finalment protoplanetes. Prop del Sol només van condensar els materials refractaris (silicats i metalls), la qual cosa explica que els planetes interiors —inclosa la Terra— siguen rocosos i densos.

La Terra primitiva era un cos calent i en bona part fos. La calor procedia de tres fonts: l'energia dels impactes d'acreció, la compressió gravitatòria i, sobretot, la desintegració d'isòtops radioactius ($^{238}\mathrm{U}$, $^{235}\mathrm{U}$, $^{232}\mathrm{Th}$, $^{40}\mathrm{K}$). Aquesta calor va permetre la diferenciació geoquímica: en l'anomenada catàstrofe del ferro, els metalls densos (Fe, Ni) van migrar cap al centre formant el nucli, mentre els silicats, més lleugers, van quedar a l'exterior (mantell i escorça). La desgasificació de l'interior va aportar els volàtils que van originar una atmosfera primitiva i, més tard, la hidrosfera.

Un episodi singular va ser la formació de la Lluna. La hipòtesi del gran impacte proposa que un protoplaneta de la grandària de Mart (Theia) va col·lidir amb la Terra fa uns 4500 Ma; el material ejectat es va acumular en òrbita i es va acrecionar formant el satèl·lit, la qual cosa explica la seua composició i el seu baix contingut en ferro.

L'edat de la Terra es determina per datació radiomètrica. La desintegració d'un isòtop pare segueix una llei exponencial:

$$N(t) = N_0\, e^{-\lambda t}, \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$$

on $\lambda$ és la constant de desintegració i $t_{1/2}$ el període de semidesintegració. Mesurant la relació entre isòtop pare i fill (per exemple, $^{238}\mathrm{U} \rightarrow \,^{206}\mathrm{Pb}$) s'obté l'antiguitat. Com que les roques terrestres més antigues s'han reciclat, l'edat del planeta es va xifrar a partir de meteorits —restes originals del Sistema Solar—, oferint el valor de $\approx 4{,}55 \times 10^{9}$ anys.

2. Estructura i composició de la Terra

L'interior terrestre no és accessible de forma directa, llevat de sondejos someros. El seu coneixement procedeix de mètodes indirectes, entre els quals destaca la sismologia. Les ones sísmiques generades pels terratrèmols es propaguen per l'interior i es refracten i reflecteixen en canviar el medi, revelant discontinuïtats internes. Existeixen dos tipus d'ones internes:

• Ones P (primàries, longitudinals): són les més ràpides i es propaguen per sòlids i per fluids.
• Ones S (secundàries, transversals): més lentes i no travessen els fluids, ja que aquests no suporten esforços de cisalla.

Les seues velocitats depenen de les propietats elàstiques del medi:

$$v_P = \sqrt{\frac{K + \tfrac{4}{3}\mu}{\rho}}, \qquad v_S = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$$

on $K$ és el mòdul de compressibilitat, $\mu$ el mòdul de rigidesa (cisalla) i $\rho$ la densitat. Ja que en un líquid $\mu = 0$, resulta $v_S = 0$: l'absència d'ones S més enllà de certa profunditat demostra que el nucli extern és líquid. A més, l'existència d'una zona d'ombra per a les ones P (aproximadament entre 103° i 143° de distància angular del focus) delimita la grandària del nucli.

Amb aquestes dades s'estableixen dos models complementaris de l'interior:

Model geoquímic (per composició). Distingeix tres capes separades per discontinuïtats:

• Escorça: capa externa, prima i heterogènia. La continental, granítica i rica en Si i Al (SIAL), té un gruix mitjà d'uns 35 km i densitat $\approx 2{,}7\ \mathrm{g\,cm^{-3}}$; l'oceànica, basàltica i més rica en Si i Mg (SIMA), és més prima (uns 7 km) i densa ($\approx 3{,}0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}$). El límit amb el mantell és la discontinuïtat de Mohorovičić (Moho).
• Mantell: fins a uns 2900 km. Compost per peridotita (silicats de Fe i Mg, amb olivina i piroxens). Se subdivideix en mantell superior i inferior per una zona de transició (discontinuïtat de Repetti, cap als 660 km).
• Nucli: d'aliatge de ferro i níquel (NIFE). La discontinuïtat de Gutenberg ($\approx 2900$ km) el separa del mantell; en el seu interior, la discontinuïtat de Lehmann ($\approx 5150$ km) distingeix el nucli extern, líquid, de l'intern, sòlid.

Model dinàmic (per comportament mecànic). Atén la rigidesa i és el més útil per a la tectònica de plaques:

• Litosfera: capa rígida externa (escorça + part superior del mantell), d'uns 100 km, fragmentada en plaques.
• Astenosfera: mantell superior parcialment fos i dúctil, sobre el qual es desplacen les plaques.
• Mesosfera (mantell inferior): sòlida però capaç de fluir molt lentament.
• Nucli extern (líquid) i intern (sòlid): en l'extern, els moviments de convecció del ferro fos generen el camp magnètic terrestre per efecte dinamo.

La densitat mitjana del planeta ($\approx 5{,}51\ \mathrm{g\,cm^{-3}}$) supera de molt la de les roques superficials, prova que l'interior és progressivament més dens. La temperatura augmenta amb la profunditat segons el gradient geotèrmic (de l'ordre de 3 °C per cada 100 m en l'escorça), conseqüència de la calor interna residual i radiogènica.

3. Les teories orogèniques

L'orogènesi és el conjunt de processos que formen les serralades. Abans de la tectònica de plaques, es van proposar diverses teories per a explicar per què existeixen muntanyes, quasi totes de caràcter fixista (els continents ocupen posicions fixes):

• Contraccionisme (Élie de Beaumont, s. XIX). Suposava que la Terra, en refredar-se des del seu origen incandescent, es contreia i arrugava la seua superfície com la pell d'una poma que s'asseca; les arrugues serien les serralades. El descobriment de la radioactivitat —font de calor interna— va invalidar la premissa del refredament constant.
• Teoria dels geosinclinals (J. Hall, J. Dana). Postulava que grans conques allargades i subsidents (geosinclinals) acumulaven enormes gruixos de sediments que, en comprimir-se i plegar-se, donaven lloc a les muntanyes. Descrivia bé la sedimentació, però no aportava un mecanisme convincent per a la compressió.
• Isostàsia (concepte de Pratt i Airy; terme encunyat per Dutton). No és una teoria orogènica en sentit estricte, sinó el principi de l'equilibri gravitatori de la litosfera sobre l'astenosfera, anàleg a la flotació: els blocs corticals "suren" segons el seu gruix i densitat. En el model d'Airy, un relleu d'altura $h$ posseeix una arrel de profunditat $r$ que el compensa:

$$r = \frac{\rho_c}{\rho_m - \rho_c}\, h$$

sent $\rho_c$ la densitat de l'escorça i $\rho_m$ la del mantell. La isostàsia explica l'ascens d'una regió en erosionar-se (reajust isostàtic) i continua plenament vigent.

Aquestes teories fixistes explicaven aspectes parcials, però cap oferia una visió global. L'orogènesi només es va comprendre cabalment en integrar-se en la tectònica de plaques, que la interpreta com el resultat de la convergència de plaques: marges actius de tipus andí (subducció davall d'un continent), col·lisions continentals (com l'Himàlaia) o arcs d'illes.

4. La deriva continental

En 1912, el meteoròleg i geofísic Alfred Wegener va formular la teoria de la deriva continental, exposada en la seua obra L'origen dels continents i oceans (1915). La seua tesi, radicalment movilista, proposava que en el passat tots els continents van estar units en un únic supercontinent, Pangea, envoltat per un oceà universal, Panthalassa. Fa uns 200 Ma, Pangea va començar a fragmentar-se i els continents "van derivar" fins a les seues posicions actuals.

Wegener va reunir un notable conjunt de proves:

• Geogràfiques (morfològiques): l'encaix quasi perfecte de les línies de costa a ambdós costats de l'Atlàntic, en especial entre Sud-amèrica i Àfrica. L'ajust és encara millor si es consideren els talussos continentals.
• Paleontològiques: fòssils idèntics d'organismes incapaços de creuar oceans apareixen en continents hui separats. Són emblemàtics el rèptil Mesosaurus (Sud-amèrica i Àfrica), la falguera Glossopteris, i els rèptils Cynognathus i Lystrosaurus.
• Geològiques (litològiques i estructurals): continuïtat de formacions rocoses i de serralades a un costat i l'altre de l'Atlàntic (per exemple, els Apalatxes i els relleus caledònics d'Europa), que encaixen en reunir els continents.
• Paleoclimàtiques: dipòsits glacials (tillites) de la mateixa edat en regions hui tropicals de Sud-amèrica, Àfrica, l'Índia i Austràlia, indicatius d'una antiga glaciació austral quan aqueixes terres formaven un sol bloc prop del pol; i, a la inversa, jaciments de carbó de clima càlid en latituds hui fredes.

Malgrat la solidesa de les seues proves, la teoria va ser rebutjada per la majoria de la comunitat geològica de la seua època. El motiu principal era l'absència d'un mecanisme físic plausible: les forces que Wegener invocava —la força centrífuga per rotació (Polflucht) i les marees— eren manifestament insuficients per a desplaçar els continents solcant el fons oceànic. La deriva continental va haver d'esperar diverses dècades, fins que l'exploració dels fons marins aportara aqueix mecanisme absent.

5. Interpretació global dels fenòmens geològics a la llum de la tectònica de plaques

Després de la Segona Guerra Mundial, l'exploració oceanogràfica va revelar dades decisives. Harry Hess i Robert Dietz van proposar l'expansió del fons oceànic (seafloor spreading, 1960-62): en les dorsals oceàniques ascendeix material del mantell que crea escorça oceànica nova, la qual s'allunya a ambdós costats com una cinta transportadora i es destrueix en les fosses per subducció. Així, els continents no solquen l'oceà —com suposava Wegener—, sinó que són transportats passivament per la litosfera en moviment.

La prova definitiva va arribar del paleomagnetisme. En solidificar, les roques volcàniques registren l'orientació del camp magnètic terrestre, que s'ha invertit nombroses vegades al llarg del temps geològic. Vine, Matthews i Morley van descobrir que el fons oceànic presenta bandes magnètiques simètriques i paral·leles a les dorsals, de polaritat normal i invertida alternant. Aqueix patró "de codi de barres" simètric és exactament el que prediu l'expansió oceànica i va permetre datar i mesurar la seua velocitat. A això es van sumar les zones de Wadati-Benioff (plans inclinats de sismicitat profunda), que marquen el descens de la litosfera subduïda.

Amb aquestes evidències, cap a 1967-68 es va formular la teoria de la tectònica de plaques (Morgan, McKenzie, Le Pichon, entre altres). Els seus postulats són:

1. La litosfera està fragmentada en una desena de plaques rígides (majors, com la Pacífica, l'Euroasiàtica o la Nord-americana, i altres menors) que es desplacen sobre l'astenosfera dúctil.
2. Les plaques poden ser oceàniques, continentals o mixtes, i interaccionen únicament en els seus marges, on es concentren els fenòmens geològics.

Es distingeixen tres tipus de marges o límits de placa:

• Divergents (constructius): les plaques se separen i es genera litosfera nova. Corresponen a les dorsals oceàniques i als rifts continentals (com el Rift de l'est d'Àfrica). Vulcanisme efusiu i sismicitat superficial.
• Convergents (destructius): les plaques s'aproximen. Si una és oceànica, subdueix davall de l'altra (marges tipus andí o arcs d'illes), amb fosses, vulcanisme explosiu i terratrèmols profunds; si ambdues són continentals, es produeix col·lisió i orogènesi (l'Himàlaia, per la col·lisió de l'Índia amb Àsia).
• Transformants (conservatius): les plaques es llisquen lateralment sense crear ni destruir litosfera, al llarg de falles transformants (com la falla de San Andrés), amb intensa sismicitat superficial.

El motor del moviment resideix en les corrents de convecció del mantell, impulsades per la calor interna, complementades per l'empenta de la dorsal (ridge push) i, sobretot, per la tracció de la placa subduïda (slab pull), el pes de la qual arrossega la resta. Els punts calents (hot spots), plomes fixes de material calent proposades per J. Tuzo Wilson i Morgan, generen cadenes de volcans (com Hawaii) que registren el desplaçament de la placa sobre ells.

La tectònica de plaques constitueix una teoria unificadora: explica de forma coherent la distribució mundial de terratrèmols i volcans (cenyida als marges de placa), l'orogènesi, la formació i destrucció d'oceans, l'edat creixent del fons oceànic en allunyar-se de les dorsals i la migració dels continents. El cicle de Wilson descriu l'obertura i tancament cíclics de les conques oceàniques i, amb això, la formació i fragmentació periòdica de supercontinents al llarg de la història de la Terra.

Aplicació didàctica

Encara que aquest tema pertany al temari del cos de Física i Química (590-007), els seus continguts s'imparteixen en la matèria de Biologia i Geologia de l'ESO i s'aprofundeixen en Geologia i Ciències Ambientals de Batxillerat. En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), l'estructura de la Terra i la tectònica de plaques s'aborden especialment en 3r i 4t d'ESO, integrades en els sabers bàsics sobre la geodinàmica i la història del planeta.

El tema és idoni per a desenvolupar la competència STEM i el pensament científic, ja que il·lustra l'ús de mètodes indirectes (sismologia, paleomagnetisme) i el paper de l'evidència en l'acceptació d'una teoria. La història de la deriva continental —una hipòtesi correcta rebutjada per mancar de mecanisme— resulta molt formativa per a comprendre la naturalesa de la ciència. Es presta a situacions d'aprenentatge amb mapes, talls geològics, models de convecció amb fluids i anàlisi de dades sísmiques reals.

Convé anticipar idees prèvies i errors freqüents: confondre escorça amb litosfera (la litosfera inclou el mantell superior rígid); creure que els continents "suren i naveguen" sobre l'oceà, en lloc de ser transportats per plaques litosfèriques sobre l'astenosfera; identificar deriva continental i tectònica de plaques com a sinònims, quan la primera és la hipòtesi prèvia de Wegener i la segona la teoria que l'explica i la supera; suposar que l'interior terrestre està "buit" o format per lava líquida en la seua totalitat; i, de fons, la dificultat per a manejar l'escala del temps geològic. L'ús d'analogies (la poma arrugada, la cinta transportadora, els codis de barres magnètics) ajuda a corregir aquestes concepcions, sempre assenyalant els seus límits.

Conclusió

La Terra es va originar per acreció a partir de la nebulosa solar fa uns 4600 Ma i es va diferenciar en capes concèntriques —nucli, mantell i escorça— revelades hui per la propagació de les ones sísmiques. La comprensió de la seua dinàmica va recórrer un llarg camí: de les teories orogèniques fixistes, que explicaven les muntanyes de forma parcial, a l'audaç deriva continental de Wegener, rebutjada per la seua falta de mecanisme, i d'ací, gràcies a l'expansió del fons oceànic i al paleomagnetisme, a la tectònica de plaques. Aquesta teoria integra sota un mateix marc la sismicitat, el vulcanisme, l'orogènesi i el moviment dels continents, i constitueix el paradigma unificador de la geologia moderna, comparable en abast al que la teoria atòmica suposa per a la química o la selecció natural per a la biologia.