Viaje al centro de la Tierra con la sismología
Desde tiempos históricos los sismos han representado uno de los mayores riesgos potenciales en cuanto a pérdidas humanas y económicas. Sin embargo, también han resultado ser una herramienta precisa para conocer la estructura interna de la Tierra. ¿Sabes de qué manera los sismos nos aportan esta información?
25 Marzo 2024 | Por Ivette Barrios
Palabras clave: Ondas – Reflexión – Refracción Discontinuidad
Cuando las primeras estaciones sísmicas fueron creadas hace más de 100 años, proporcionaron la primera evidencia real de la estructura interna de la Tierra a través de la medición de los tiempos de viaje de las ondas.
Con el desarrollo de la instrumentación, que ha pasado de sismómetros mecánicos con registro analógico a sismómetros de banda ancha digitales que permiten registrar un espectro amplio de frecuencias, se han desarrollado distintos modelos de velocidad, desde los sencillos con capas de velocidad constante, hasta los tridimensionales heterogéneos con atenuación y anisotropía1. Estas consideraciones permiten establecer modelos ajustados a la realidad del interior de la Tierra.
Para entender cómo los terremotos aportan información sobre la estructura interna de la Tierra, es necesario conocer el comportamiento de las ondas sísmicas al propagarse por el subsuelo. En un medio isotrópico2 y homogéneo, las ondas sísmicas se propagan desde la fuente hacia su exterior a la misma velocidad, en todas las direcciones. En medios heterogéneos, que es lo que ocurre al interior de la Tierra, la propagación de las ondas es compleja, por ello se asumen ciertas condiciones para derivar adecuadamente las ecuaciones que condicionan su trayectoria.
| (a) Las ondas sísmicas viajarían en línea recta a través de un planeta hipotético con propiedades homogéneas e isotrópicas. (b) Algunas de las muchas trayectorias posibles de los rayos sísmicos. Figura modificada de Tarbuck y Lungens (2005).
|Glosario|
Cualidad de una sustancia o de un cuerpo: Que posee propiedades físicas distintas según la dirección en que se mide.
Cualidad de una sustancia o de un cuerpo: Que posee las mismas propiedades en todas las direcciones.
¿Qué debo conocer de las ondas sísmicas para definir la estructura interna de la Tierra? Principalmente sus trayectorias y velocidades de viaje.
En cuanto a sus trayectorias de viaje, se identifican dos elementos fundamentales: los frentes de ondas, representados por el borde principal a la perturbación; y los rayos sísmicos, que son las líneas normales a los frentes de onda y muestran la dirección de su movimiento.
| La energía sísmica viaja en todas las direcciones desde el origen de un terremoto (foco). La energía puede representarse en forma de frentes de onda en expansión y de rayos perpendiculares a los frentes de onda. Figura obtenida de Tarbuck y Lungens (2005).
La geometría de los rayos sísmicos está basada en el principio de Fermat, que indica que el rayo recorre entre dos puntos aquella trayectoria que le tome el menor tiempo posible. De esta manera, sabemos a qué están asociados los tiempos de viaje que medimos con las estaciones sismológicas.
Cuando una onda sísmica viaja de un material a otro de diferente densidad y elasticidad, puede reflejarse hacia la superficie o refractarse cambiando su dirección de viaje y velocidad.
| Propagación de las ondas. Al viajar la onda incidente entre la interfaz del medio 1 y 2, parte de la energía se refleja hacia la superficie con igual ángulo de incidencia y velocidad, mientras que otra parte de la energía se refracta por el medio 2 con dirección y velocidad distinta.
En cuanto a sus velocidades de viaje, las ondas primarias (P) viajan más rápido que las ondas secundarias (S). Además, un dato muy importante a considerar es que las ondas S no se propagan a través de medios líquidos.
Las velocidades de viaje de las ondas P y S están determinadas por la elasticidad y densidad de los medios que atraviesan. La velocidad de las ondas disminuye con el aumento de densidad, pero incrementa en materiales con una mayor elasticidad.
Las zonas en donde se presentan variaciones significativas en la velocidad de propagación de las ondas sísmicas indican un límite llamado discontinuidad, y son producto de los cambios en la composición y propiedades físicas de los materiales de la Tierra.
| Animación de la propagación de las ondas generadas por un sismo a través de las capas de la Tierra según su composición química (corteza, manto y núcleo). Las ondas S no se propagan en el núcleo externo por ser líquido. Las ondas P viajan a mayor velocidad que las ondas S.
Entonces, ¿cómo los terremotos nos permiten conocer la estructura de la Tierra?
Las estaciones sismológicas permiten determinar el tiempo de viaje total de las ondas: desde su origen (donde se generó el terremoto) hasta la discontinuidad, y posterior reflexión de vuelta a la superficie. A partir de este tiempo de viaje total, y conociendo la velocidad de propagación de las ondas, es posible calcular la profundidad en la que se ubica esa discontinuidad, o zona de transición entre dos capas terrestres de composición distinta.
Gracias a la existencia de estas discontinuidades, se puede subdividir hoy el interior de la Tierra en tres capas concéntricas según su composición química: corteza sólida, manto y núcleo (externo líquido e interno sólido).
| Capas de la tierra según su composición química: corteza, manto y núcleo.
El límite entre la corteza y el manto se conoce como la discontinuidad de Mohorovic, por lo general solo se le llama Moho. Tiene una profundidad promedio de 8 km en la corteza oceánica y de 40 km en la corteza continental, pero puede superar los 70 km en algunas regiones montañosas.
El límite entre el manto y el núcleo se conoce como la discontinuidad de Gutenberg y se encuentra a una profundidad de 2.900 km.
Finalmente, el límite entre el núcleo externo y el núcleo interno se conoce como discontinuidad de Lehmann, y se ubica a una profundidad de 5.150 km.
¿Con los terremotos sólo podemos ubicar el límite entre cada capa?
No, también es posible identificar sus composiciones químicas. Las ondas sísmicas tienen velocidades características de viaje que están directamente condicionadas al medio que atraviesan. De esta manera, al conocer las velocidades de viaje de las ondas, es posible asociarlas a una composición de roca determinada, por ejemplo:
La corteza oceánica está compuesta por rocas ígneas oscuras denominadas basalto.
La corteza continental en su nivel superior tiene una composición de una roca granítica denominada granodiorita, mientras que en su nivel inferior es más parecida al basalto.
El manto está representado por peridotitas, rocas compuestas principalmente de olivino, y conforma más del 82% del volumen de la Tierra.
El Núcleo está compuesto por una aleación de hierro y níquel, con cantidades menores de oxígeno, silicio y azufre.
¿Y cómo se conocen las propiedades físicas del interior de la Tierra?
Con los sismos también podemos identificar las propiedades físicas de las capas terrestres. De esta manera, se identificó que el núcleo externo es líquido. Inge Lehmann, una sismóloga Danesa, en 1937 observó que las ondas S se detectaban hasta la distancia de 104°, mientras que las ondas P a esta misma distancia desviaban su dirección de viaje hasta los 140°, creando una zona de sombra sísmica. Esto se debe a la presencia de un núcleo líquido, dado que las ondas S no pueden viajar a través de estos medios. La llamada zona de sombra es uno de los descubrimientos más importantes en la sismología. Una distancia de tantos grados (p.ej. 104°), se refiere a que si el terremoto ocurre en un punto de la Tierra, podemos dividir el planeta circular en grados de 0° a 180°, desde un extremo al otro del círculo en sentido horario o al contrario (en la siguiente figura se puede observar con mejor claridad):
| Vista del interior de la Tierra que muestra las trayectorias de las ondas P y S. Cualquier punto situado a más de 105° del epicentro del terremoto no recibe ondas S directamente, ya que el núcleo externo no las transmite. Aunque tampoco hay ondas P después de los 105°, las cuales vuelven a ser registradas después de los 140°: Esto es lo que se conoce como sombra sísmica. Figura obtenida de Tarbuck y Lungens (2005).
El hecho de conocer actualmente la estructura interna de nuestro planeta es fundamental para entender cómo funciona la dinámica terrestre. Con el objetivo de continuar generando modelos del interior de la Tierra ajustados a la realidad, y en pro de utilizar este conocimiento a favor de la seguridad social en general; es necesario seguir sumando esfuerzos mundiales en reforzar las redes sismológicas nacionales y locales, la capacitación profesional, y el desarrollo de nuevas tecnologías e instrumentación.
Referencias
- FUNVISIS. (2006). ¿Venezuela es un país sísmico? Caracas, Venezuela. Pp. 1.
- Tarbuck, E. J.; Lutgens, F.K., Tasa, D. (2005). Ciencias de la Tierra: Una introducción a la geología física. 8ª edición. Prentice Hall. Pp. 341-353
