Sismos y volcanes

Ciencias de la Tierra
SISMOS Y VOLCANES
PROF. LUIS BRAHIM N.
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
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SISMOS Y VOLCANES
Prof. Luis Brahim N.
CONTENIDOS
1. LOS SISMOS
1.1 Chile y las placas tectónicas
1.2 Origen de los terremotos
1.3 Las ondas sísmicas
1.4 ¿Cómo se mide un sismo?
1.5 Maremotos
2. LOS VOLCANES
2.1 Introducción
2.2 Tipos de erupciones y de volcanes
2.3 Lugares donde se origina actividad volcánica
2.4 Generación del magma
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Nuestro país se encuentra ubicado a lo largo del borde de dos placas
tectónicas activas: la de Nazca y la Sudamericana. Esta particular
ubicación convierte a Chile en escenario de una intensa y nutrida
actividad sísmica y volcánica. La placa de Nazca, más densa, se
hunde bajo la placa Sudamericana.
Mediante este fenómeno de
subducción la litosfera oceánica se consume a lo largo de una extensa
fosa submarina, justo fuera de la costa chilena, retornando así al manto.
Subducción en el límite de la placa de Nazca y la Sudamericana. Una intensa actividad
geológica ocurre en esta región: vulcanismo, sismos y formación de la cordillera de los
Andes.
Los mayores efectos de la subducción, además de la formación de
montañas, son los siguientes:
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Una gran concentración de actividad sísmica y volcánica de la Tierra se
distribuye alrededor del océano Pacífico, coincidiendo con el borde de
varias placas convergentes, formando un cinturón de fuego.
El cinturón de fuego del Pacífico.
Ninguna descripción física puede reemplazar a la experiencia personal
de vivir un temblor. En nuestro país es un fenómeno común.
Un terremoto es una sacudida del suelo que sucede cuando las rocas de
la corteza, sometidas a una gran tensión provocada en los bordes de las
placas, se deforman y ceden repentinamente a lo largo de una falla o
fractura de la litosfera.
Origen de los
temblores.
La subducción
origina tanto
temblores
superficiales
(cruces) como
profundos
(puntos).
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El lugar subterráneo donde se produce la sacudida se denomina foco (o
hipocentro), expresado en kilómetros de profundidad.
El conocimiento de la distribución de tales focos condujo al
descubrimiento de la subducción de las placas tectónicas. El epicentro
es el lugar geográfico de la superficie de la Tierra, directamente sobre el
foco.
Foco y epicentro
de un temblor.
Propagación de
ondas sísmicas
desde el foco.
Si bien no es posible ver directamente lo que acontece en la profundidad
de la Tierra mientras tiembla, las ondas propagadas desde el foco por el
interior y superficie de la Tierra hacen sentir su inquietante efecto
vibratorio. Son detectadas por los sismógrafos.
Sismógrafo,
esquema
simplificado.
Un sismógrafo
puede registrar
oscilaciones
verticales (a la
izquierda) u
horizontales.
(a la derecha),
según cómo esté
suspendido
el péndulo.
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Un sismógrafo es el instrumento de medida más importante para
estudiar los temblores y el interior de la Tierra. Detecta las vibraciones
del suelo por medio de un sistema mecánico conectado a circuitos
eléctricos que amplifican las señales, las que son transmitidas a una
estación sismológica. Un peso se encuentra suspendido de un resorte o
por medio de una bisagra, el que por efecto de la inercia se mueve
respecto a la superficie de la Tierra cuando tiene lugar un temblor. Se
registran normalmente tres componentes de la vibración sísmica:
vertical, norte-sur y este-oeste.
El registro gráfico de las ondas
sísmicas detectadas por el sismógrafo
se denomina sismograma.
Sismograma típico.
Tipos de ondas sísmicas:
•
Las ondas P (primarias), son las primeras en ser detectadas en un
sismógrafo;
•
Las ondas S (secundarias), por ser más lentas, se registran a
continuación de las ondas P, y ambas se propagan por el interior de
la Tierra;
•
Las ondas superficiales, como indica su nombre, se propagan por
la superficie de la Tierra y a menor velocidad que las anteriores.
Ondas P: longitudinales.
Pueden transmitirse a través de
sólidos y líquidos.
Ondas S: transversales.
Pueden transmitirse sólo a través
de sólidos.
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Ondas L: transversales.
Se propagan por la superficie
de la Tierra, provocando
sacudidas horizontales
perpendiculares a la dirección
de propagación de la onda
sísmica.
Ondas R: elípticas.
Provocan movimientos
verticales y horizontales
en el plano de
propagación de la onda
sísmica.
Existen dos escalas de uso universal: Richter y Mercalli.
Magnitud Richter. Se basa en el logaritmo de la máxima amplitud de
las ondas sísmicas registradas en el sismograma de un temblor. Los
grandes terremotos generan ondas con amplitud miles de veces mayor
que las generadas por temblores leves. La escala logarítmica permite
comprimir esta amplísima variación de amplitud. Así, una diferencia de
magnitud igual a 1 entre dos sismos, representa un incremento de 10
veces en la amplitud de la onda sísmica. Por ejemplo, la amplitud de la
mayor onda superficial de un terremoto de magnitud 6 es 10 veces
mayor que la amplitud de un terremoto de magnitud 5, pero 100 veces
mayor que otro de magnitud 4, y 1000 veces mayor que uno de
magnitud 3.
Respecto a la energía liberada en un terremoto, cada unidad de
magnitud Richter equivale a una liberación de energía 30 veces mayor,
aproximadamente. Así, un sismo de magnitud 6 libera 30 veces más
energía que uno de magnitud 5, pero 900 veces más energía que uno de
magnitud 4, y 27 000 veces más energía que uno de magnitud 3.
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Efectos típicos de un terremoto, según su magnitud.
Magnitud del sismo
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Amplitud máxima
de las ondas sísmicas
A
Energía liberada
E
5
6
7
8
9
10
8
Intensidad Mercalli. Esta escala asigna una medida a los efectos
sentidos y observados en un lugar específico. No utiliza instrumentos, es
subjetiva. La intensidad varía desde I (muy débil) hasta XII (destrucción
total). La intensidad de la destrucción depende de la magnitud Richter
del sismo, la distancia al epicentro, la resistencia de las construcciones y
la estructura del suelo, principalmente.
En la siguiente tabla, un extracto de la escala Mercalli.
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Los grandes sismos en Chile.
Por encontrarse en una zona
geológicamente activa de la Tierra, nuestro país no ha estado ausente,
ni lo estará, de las estadísticas mundiales de los principales
terremotos. En el siglo XX se registraron tres grandes terremotos:
El mayor sismo registrado y medido en la historia sísmica de la Tierra,
fue el de 1960 en el sur de Chile, de magnitud 9,5. Ningún otro ha
liberado una energía superior.
Un maremoto es una onda marina originada por un evento sísmico en el
fondo del mar o por la erupción de un volcán submarino. Se desplaza
una gran masa de océano, y la perturbación genera una onda que se
propaga por la superficie del agua a velocidades de hasta unos 800
km/h. Los maremotos son apenas notorios en medio del océano, donde
el agua es profunda. Pero al aproximarse a la costa, aumentan su
altura hasta más de 20 metros.
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Los maremotos constituyen una seria amenaza para los más de 20
países del cinturón de fuego del Pacífico. El terremoto en Chile de 1960
provocó un maremoto que cruzó el Pacífico y causó destrucción y
muertes hasta un lugar tan lejano como Japón.
Esquema de un maremoto.
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Por toda la Tierra se han identificado unos 1500 volcanes activos,
entendiendo por tales a los que han hecho erupción en tiempos
históricos o de los que existe evidencia geológica de haber hecho
erupción en los últimos 10 000 años. El 10 % de ellos se encuentra en
Chile, existiendo registro histórico de actividad de unos 60 volcanes.
Una erupción volcánica es la manifestación visible de un proceso térmico
originado en las profundidades de la Tierra. Son evidencias de un
planeta en plena actividad.
Conviviendo con los volcanes.
El 10 % de la población mundial vive en las
proximidades de los volcanes. Pucón es un
ejemplo, junto al volcán Villarrica.
En el transcurso de la evolución de la Tierra, las erupciones volcánicas
liberaron el agua y gases que formaron los océanos y la atmósfera,
contribuyendo de esta manera a la creación y desarrollo de la vida. Por
otra parte, la energía geotérmica en áreas de vulcanismo reciente
constituye un importante recurso energético.
Partes de un volcán.
¿Qué hay debajo de un volcán?
Un volcán, denominado también
edificio volcánico, formado por la acumulación del material que expulsa
hacia el exterior, consiste esencialmente de una cámara magmática,
depósito de roca fundida o magma a unos cuantos kilómetros o decenas
de kilómetros de profundidad, un sistema de conductos subterráneos
por el que el magma sube a la superficie, destacándose la chimenea
principal, y el cráter, abertura en la cima del volcán por donde emerge
la lava, nombre que recibe el magma que sale al exterior del volcán.
Normalmente el cráter se encuentra bloqueado por el material rocoso
que se forma por la solidificación del magma, una vez que cesa una
erupción.
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Chimenea “petrificada” de un volcán.
La continua erosión que experimentan
algunos volcanes termina por hacer
desaparecer un edificio volcánico, dejando
a la vista la espectacular columna rocosa
del interior de la chimenea, como en esta
imagen de la torre Shiprock (New Mexico)
de más de 500 metros.
Si bien una erupción
puede incluir varios tipos de erupción, la
clasificación siguiente permite ordenar y caracterizar los tipos básicos de
erupción en orden creciente de velocidad de ascenso del magma, de su
concentración gaseosa y grado de peligrosidad.
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Tipos de volcanes.
La forma de un volcán se relaciona con el tipo de sus erupciones.
Aunque cada volcán es único respecto a forma y tipo de erupción, se
pueden agrupar en tres formas principales.
Estratovolcán
Muchos volcanes por subducción
alternan erupciones explosivas de
cenizas con flujos efusivos de lava,
acumulándose capas sucesivas de
piroclastos y lava solidificada; tienen
una suave pendiente inferior,
concavidad hacia arriba, cumbre alta
y aguda.
Volcán Osorno: estratovolcán.
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Volcán escudo
Formado por erupciones efusivas,
con lavas muy fluidas que cubren
una gran extensión, exhiben una
pendiente suave y convexa hacia
el exterior.
Volcán Mauna Loa, Hawai:
escudo.
Cono de cenizas
Originado por
erupciones
estrombolianas,
tiene pendientes
rectas con una
inclinación de unos
30° y destaca un
gran cráter en la
cumbre.
Volcán Paricutín (México):
cono de cenizas.
Cráter, caldera y anfiteatro.
Un volcán típico se caracteriza por exhibir, en su parte superior, la
abertura o cráter por donde sale al exterior el material magmático, el
que finalmente se acumula a su alrededor y solidifica dando forma al
edificio volcánico, o es lanzado a distancia, como sucede en las
erupciones explosivas. No obstante, es muy común la existencia de uno
o más cráteres laterales.
Se denomina caldera a una gran depresión circular en la cumbre del
volcán y de más de un kilómetro de diámetro, que se forma como
consecuencia de una erupción explosiva que provoca el hundimiento del
techo de la cámara magmática, por la súbita emisión de grandes
volúmenes de magma; el techo de la cámara se debilita y el edificio
volcánico se hunde.
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Puede suceder que la caldera se transforme en un gran lago, por efecto
de la lluvia y el agua subterránea, o que se forme un domo de lava por
sucesivas erupciones efusivas, reconstruyéndose finalmente el edificio
original.
Lago y domo en la caldera del
volcán Mazama (Oregon, EEUU).
Domo de lava en la caldera
del volcán Santa Elena
(EEUU).
Cuando un volcán explota lateralmente, fenómeno relativamente común
en la historia geológica de los volcanes, se forma un gran anfiteatro.
Anfiteatro del volcán
Quisiquisini (norte de Chile)
frente al lago Chungará.
• Dorsales oceánicas.
El 60 % de la actividad volcánica del planeta se origina en las
dorsales submarinas que delimitan los bordes divergentes de las
placas tectónicas; aquí es donde el magma que emerge desde las
profundidades forma nueva corteza oceánica.
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Un ejemplo relativamente reciente de isla volcánica que se originó
sobre una dorsal lo constituye la isla Surtsey, frente a Islandia, en la
dorsal meso-atlántica.
Nacimiento de una isla volcánica.
Sucesivas
explosiones
volcánicas,
primero, y
posteriores derrames
efusivos de lava, originaron la isla de
Surtsey, entre 1963 y 1967.
Cuatro fases principales se distinguieron en la formación de esta isla:
•
Vulcanismo por subducción.
La subducción origina una actividad volcánica más explosiva. En el
cinturón de fuego del Pacífico se concentra la principal actividad
volcánica de este tipo. Sus volcanes se caracterizan por formar altas
cadenas montañosas a unos 100 o 200 kilómetros de las fosas
oceánicas, donde una placa se sumerge bajo otra. La cadena de
volcanes de la cordillera de los Andes es el ejemplo más cercano.
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Entre los principales volcanes activos de América del Sur, se incluyen:
El proceso que explica la formación de magma y el vulcanismo ha
originado diversas teorías. La fricción entre las placas convergentes
provoca un aumento de la temperatura, favoreciendo la fusión de las
rocas de profundidad. Pero según una teoría más reciente, la
temperatura no aumenta sino que el agua, el dióxido de carbono y los
minerales que contienen sodio y potasio, arrastrados por la subducción
desde el fondo marino, hacen descender la temperatura de fusión de las
rocas, lo que favorecería la formación de magma. El agua y el carbonato
de calcio también hacen aumentar la proporción de gases que se liberan
del magma cuando asciende hacia la superficie por efecto de la
convección térmica, lo que explicaría el carácter altamente explosivo de
los volcanes por subducción.
•
Vulcanismo por puntos calientes.
Las erupciones de los volcanes de Hawai contrastan notablemente
con las erupciones explosivas; aun cuando los torrentes de lava
incandescente pueden ser lanzados hasta cientos de metros de
altura, corresponden a erupciones efusivas. Las coladas de lava se
derraman desde el cráter y se movilizan por las pendientes del
volcán a velocidad mucho menor que la de los flujos piroclásticos
que producen las erupciones explosivas.
Hawai no se encuentra próximo a ninguna dorsal oceánica ni zona de
subducción, sino que se alza en medio de la placa del Pacífico. ¿Cómo se
explica entonces la actividad volcánica que la generó?
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La isla de Hawai está formada por
cinco volcanes. Kilauea y Mauna Loa
se encuentran entre los volcanes más
activos de la Tierra. Loihi es un
volcán submarino.
Desde algún lugar del manto profundo, quizás próximo al núcleo externo
de la Tierra, la roca funde y asciende por convección. Tal punto
caliente permanece estacionario en el transcurso de los millones de
años, mientras la placa del Pacífico se desplaza y traslada consigo cada
volcán o isla volcánica que se forma de esa manera.
Islas volcánicas originadas por puntos calientes del manto profundo. Las flechas
señalan las corrientes de convección térmica en el manto profundo.
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Una cámara magmática superficial puede localizarse a profundidades de
hasta unos 10 km, donde no es posible la fusión de las rocas. La fusión
de las rocas se produce a profundidades mayores. El interior de la Tierra
se encuentra muy caliente, por efecto de los procesos de decaimiento de
los isótopos radiactivos del uranio, torio y potasio de las rocas ígneas.
En las proximidades de la superficie terrestre, el gradiente geotérmico
es del orden de 30 °C por kilómetro de profundidad, tasa que disminuye
a profundidades mayores, como consecuencia de la variación de la
distribución de los elementos radiactivos en el interior de la Tierra. Así,
se estima que a unos 100 km de profundidad la temperatura alcanza
unos 1200 °C; a tal profundidad se forma el magma, el que asciende
por convección y se acumula en las cámaras magmáticas.
Las evidencias sísmicas señalan que a esa profundidad las rocas se
encuentran parcialmente fundidas. Como la densidad del magma es
menor que la de las rocas, el empuje permite el desplazamiento del
magma por entre las profundas fracturas de la corteza rocosa, o que el
mismo magma presione y funda a su vez la roca, abriéndose paso hacia
la cámara magmática.
Perfil térmico del interior de la Tierra.
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Fenómenos premonitorios de una erupción.
Aun cuando es imposible la predicción exacta de un acontecimiento
volcánico ni de su magnitud, existen algunas manifestaciones
observables que hacen aumentar la probabilidad de una erupción
inminente. Semanas o meses previos a la erupción, se registran
temblores de intensidad baja y media, originados por el movimiento del
magma que asciende desde la cámara magmática; el edificio volcánico
se deforma notoriamente; aumenta la actividad de emisión de las
fumarolas. Los vulcanólogos evalúan éstas y otras señales, permitiendo
una alerta oportuna a las autoridades y a la población expuesta al
peligro.