Introducción
Sin duda alguna muchas personas consideran muy difícil de explicar la existencia de rocas fuertemente plegadas, pero a la vez tan firmes como el hormigón. Se trata de un fenómeno, difícil de entender. No obstante, desde el siglo XIX se han realizado experimentos que han contribuido a esclarecer porqué sucede esto. Por otra parte, es bien conocido que las rocas que hoy vemos en la superficie terrestre, estuvieron en un pasado más o menos remoto (en términos de tiempo geológico) a una cierta profundidad , lo que supone que tanto la presión como la temperatura a la que estuvieron sometidas fue muy superior a la que actualmente se hallan. En esas condiciones, las rocas hoy firmes pudieron fluir como la arcilla que modelan los alfareros, aunque deben hacerlo a velocidades mucho más lentas. El tiempo es un factor importante. No es lo mismo doblar una capa en unas horas que hacerlo en miles o millones de años. Hace muchos años (Weaver y Griggs en los años 30 del siglo pasado por ejemplo), que incluso se han descrito ecuaciones matemáticas que señalan la importancia del tiempo. Como en muchos otros aspectos en la geología el tiempo es un elemento clave. Los humanos tendemos a usar como unidad de medida del tiempo, la escala de nuestra experiencia. Baste recordar que hasta el siglo XVIII, según indicó por ejemplo I. Asimov en 1993(”Nueva guía de la Ciencia”), la mayoría de los eruditos aceptaban con naturalidad que no sólo la Tierra, si no incluso el Universo se habían formado o mas bien creado hace unos 6 ó 7 miles de años. Lorenzo Vilas Minondo (uno de mis antiguos profesores) en la lección inaugural del Curso Académico 2004-2005, en la U. Complutense de Madrid, analizó este asunto. La lección tiene por título: “El tiempo en geología”.
No obstante y al margen de los anteriormente señalado, está bien claro que aún considerando períodos de tiempo normales en la vida cotidiana (minutos, horas, días…) y presiones y temperaturas a las que vivimos habitualmente los humanos, las rocas y los minerales no son, ni mucho menos, objetos tan rígidos como parecen. Tampoco tan compactos y uniformes.
Elasticidad de las rocas y sus consecuencias.
Experimentos llevados a cabo en laboratorios, desde hace muchas décadas, han demostrado que una roca aparentemente firme (ver fig 1) en realidad se comporta como una goma de borrar de esas que utilizan los escolares. Como es sabido, cualquier roca sometida una presión (esfuerzo en términos geológicos), se deforma y si ese esfuerzo no supera un cierto umbral, ocurre algo curioso y es que la roca vuelve a recuperar su forma inicial. En estos casos, ocurre que la deformación es directamente proporcional al esfuerzo. La roca se comporta pues como un cuerpo elástico y no como un cuerpo rígido.
Hay una relación comprobada y medida que se expresa de modo matemático entre el esfuerzo y la deformación. Es el llamado módulo de Young o módulo de elasticidad. Cada tipo de roca tiene uno propio. Por otra parte cualquier roca al ser comprimida o estirada en una dirección, experimenta una deformación en las direcciones perpendiculares. La relación entre esas deformaciones producidas en direcciones perpendiculares y de signo opuesto es el conocido por los geólogos como coeficiente de Poisson. Al igual que el módulo de Young su magnitud ha sido medida en multitud de ocasiones.
Podemos decir pues que una roca, en determinadas condiciones, se comporta como un muelle. Hace ya muchos años que el comportamiento elástico de las rocas, se expresó de modo matemático, mediante una serie de fórmulas, en mi opinión bastante complejas, que en definitiva lo que expresan es que una roca se comporta (dentro de ciertos límites), como lo haría por ejemplo una pelota de tenis (John G. Ramsay ,1977). Una forma, digamos práctica, de comprobarlo sin necesidad de conocimiento geológico alguno, consiste en golpear fuertemente con una maza por ejemplo una roca (cuarcita) como la de la figura 1. Es fácil comprobar que la maza rebota como si la roca fuese en realidad de goma.
Ahora bien si el esfuerzo al que se somete a una roca, sobrepasa cierto limite la deformación no se recupera. Se deforma como lo hace por ejemplo la plastilina. Obviamente también una roca se puede romper, pero esta circunstancia ya es de dominio público. No así el tema de la elasticidad y la plasticidad. La plasticidad explicaría perfectamente los curiosos plegamientos que aparecen en multitud de lugares. En una roca hay un comportamiento elástico, pero también uno plástico y por supuesto frágil. No obstante centraré la atención en el comportamiento elástico.
Una roca a menudo se comporta de modo elástico (es decir recupera su forma inicial al retirar el esfuerzo aplicado) tanto ante esfuerzo de cizalla, como ante esfuerzo normal que puede ser a su vez de compresión o de tracción. En el caso de esfuerzos de cizalla la deformación es proporcional al esfuerzo y la constante que los relaciona es el modulo de rigidez o de cizalla, concepto que tiene cierta similitud con el modulo de Young. Para describir la relación entre el cambio de volumen de una muestra rocosa y el esfuerzo de tipo hidrostático al que es sometida, se utiliza también un número llamado coeficiente de comprensibilidad.
El hecho de que las rocas tengan un comportamiento elástico tiene importantes consecuencias, entiendo que en varios aspectos. Como simple ejemplo, citaré uno que es la transmisión de las ondas sísmicas a través del terreno. Esta propagación es la causante de graves daños en amplias zonas de la superficie terrestre. Asimismo, en el interior de una mina el paso de las ondas sísmicas podría provocar serios problemas. Hace ya muchos años que se han indicado fórmulas matemáticas, que relacionan la velocidad de las ondas primarias (P) con el modulo de comprensibilidad y con el de rigidez o cizalla. Si el valor de ambos módulos fuese cero, es fácil de deducir a partir de esas fórmulas que la velocidad de propagación de las ondas sísmicas por el interior y por la superficie del terreno sería nula, algo que por otra parte parece obvio, sin recurrir a fórmulas matemáticas. Las ondas P son longitudinales y más rápidas que las S que son transversales y cuya velocidad tiene asimismo una relación matemática con el módulo de rigidez o de cizalla. Es lógico que así sea. Ambos tipos de ondas se propagan en un frente esférico a partir de un punto o de una zona.
Si las rocas no tuviesen un comportamiento elástico, no habría propagación de ondas sísmicas a través las mismas. Los terremotos podrían dar lugar a fallas o a deformaciones en el relieve, pero nada más. La energía se emplearía toda ella en producir una falla (comportamiento totalmente frágil sin elasticidad alguna) o una deformación (comportamiento totalmente dúctil) y no se generarían ondas sísmicas que harían vibrar a las rocas a enormes distancias del hipocentro. El modelo de generación de movimientos sísmicos llamado rebote elástico, ya conocido desde principios del siglo XX, sólo tiene explicación si se admite un movimiento de vibración de las rocas que se va propagando, constituyendo así lo que son las ondas sísmicas. A grandes profundidades (más de 20 km por ejemplo) la presión y temperatura hacen que la matera sea plástica y por tanto a esas profundidades las fallas son asísmicas, mientras que en superficie esas mismas fallas son sísmicas. (Luis I. González de Vallejo-Mercedes Ferrer-Luis Ortuño-Carlos Oteo. 2005).
Lógicamente, la elasticidad y la plasticidad de las rocas, sólo se comprueba fácilmente en los laboratorios. A simple vista no, ya que nos parecen totalmente rígidas. Es así entre otros motivos porque se nos presentan como fragmentos de materia totalmente compactos, siempre que elijamos un tamaño libre de fisuras, diaclasas y otras discontinuidades visibles a simple vista. Un cristal de cuarzo o una pirita y multitud de otros minerales que tanto aprecian los coleccionistas aparentemente son masas continuas pero….aquí tampoco la realidad es lo que parece.
La estructura cristalina
A partir del siglo XVIII ya se empezó a sospechar, que los minerales estaban formados por diminutas partículas que se disponían de forma ordenada, tal y como muestran lo textos mas elementales de geología (cristalografía). En España, tenemos la costumbre de llamar cristal al vidrio. Incluso llamamos al cuarzo “cristal de roca”, como si fuese un vidrio natural cuando no lo es. El vidrio no tiene una estructura cristalina. Es amorfo y por tanto la denominación de cristal no parece la mas adecuada.
A afectos didácticos, se representan los átomos formando estructuras ordenadas de diversos modos (sistemas cristalinos perfectamente conocidos por los geólogos) y se dibujan como diminutas bolitas esféricas, que están separadas unas de las otras. Ver figura 3. En realidad no existe tal separación. Los átomos considerados como diminutas esferas (de radio conocido) están en contacto y de hecho las capas más externas de un átomo, a veces comparten algún o algunos electrones que puede pertenecer tanto a un átomo como a otro. Se trataría de esferas empotradas unas en otras. En todo caso, es evidente que debe haber huecos entre esas “esferas” en contacto.
No obstante, lo dicho ha de ser matizado. Como es bien sabido, los átomos no son en modo alguno esferas con límites definidos. Un átomo tiene un cierto parecido con un sistema planetario. Cornelius S. Hurlbut Jr. (1974) autor de un conocidísimo libro de mineralogía habla del “modelo planetario” de los átomos. Por si esto no fuese ya suficiente, hay que tener en cuenta (principio de incertidumbre de Heissenberg) que no es posible determinar la posición de un electrón que se esta moviendo en torno al núcleo, del mismo modo que determinamos la posición de un automóvil o de un planeta. Lo único que se puede determinar es la forma y las medidas de la llamada nube de probabilidad. Es este un espacio físico tridimensional en torno al núcleo del átomo, que señala la probabilidad en cada una de sus partes de hallar un electrón buscado. La ecuación de Schrödinger indica la probabilidad de hallar un electrón en un espacio dado. Las zonas de probabilidad máxima, se encuentran a distancias del núcleo, que coinciden con los radios de las órbitas explicadas por Bohr.
Pero aquí no termina todo. Resulta que los átomos no ocupan posiciones fijas. Están vibrando continuamente (Cornelius S. Hurlbut Jr. (1974) a cualquier temperatura. Estas vibraciones se producen sin que los átomos reciban impulso alguno del exterior. Las posiciones atómicas que el cristalógrafo determina son por tanto posiciones medias.
Otro asunto muy importante, es el hecho de que el átomo sea en su conjunto un espacio que además de tener límites poco definidos, es básicamente un espacio vacío. La materia se concentra prácticamente toda ella en el núcleo, pero los electrones están a tales distancias del núcleo que se ha calculado que a muchos efectos el 99% ó quizá más del átomo es un espacio vacío. Un ejemplo muy ilustrativo a este respecto lo hallé en un libro de química antiguo, (“Química General “ de Juan Sancho Gómez. Año 1967), al señalar que si un átomo fuese una esfera de 200 metros de radio, el núcleo del mismo ocuparía el tamaño de una cereza. Por otra parte se ha señalado C.S. Hurlbut Jr.(1974), que la masa de un electrón es solamente 1/1850 de la el núcleo más ligero.
Por todo ello es inevitable que surja una pregunta. Si la materia es prácticamente hueca, ¿porqué no se puede atravesar?. Las ramas de un árbol por ejemplo se cruzan sin más con las de otros próximos, dos escuadrillas de aviones en formación pueden cruzarse perfectamente e incluso las bandadas de pájaros pueden también hacerlo sin problema. La respuesta más convincente que he oído, debió hallarse ya en el siglo XIX gracias (según cuenta I. Asimov) principalmente a Michel Faraday y J.C. Maxwell. Es la actuación de fuerzas a distancia. Campos de fuerza.
Faraday y los campos
Hasta el siglo XVIII la visión mecanicista del universo, consideraba que un cuerpo influía sobre otro a través del contacto. Una piedra movía a otra solo cuando chocaba con ella. Sin embargo desde hacía siglos había fundadas razones, para considerar la acción de fuerzas a distancia. Los imanes conocidos desde la época de los griegos (Tales de Mileto) y las leyes gravitatorias mostraban, que no hacía falta el contacto de la materia y que un cuerpo podía influir en otro desde la distancia. Gracias a los estudios de Faraday y Maxwell, se puso de manifiesto que para la una masa empuje a otra no hace falta que ambas colisionen y además se realizó la correspondiente formulación matemática (ecuaciones de Maxwell).
El contorno de un átomo está rodeado por una nube de electrones que generan un campo electromagnético, un campo de fuerza. Cuando dos objetos (dos rocas) se aproximan los campos de fuerza de los átomos de sus superficies, se empujan aunque la materia en si es decir los electrones y el núcleo de los átomos no se toquen para nada. El campo de una roca es el que empuja al de la otra haciendo que se mueva. En base a esta idea y aunque en la vida cotidiana hablamos chocar o tocar, lo que choca o se toca son campos de fuerza y no la materia. Asimov y siguiendo su habitual línea de explicaciones didácticas, escribió que “cuando empujamos una barca o tiramos de una cuerda no tocamos en realidad nada sólido.” Aprovechamos los campos electromagnéticos de nuestra mano y la cuerda. Parece increíble pero…
Por último señalo que si hay un caso (al menos) en el que la materia colisiona. Sucede, por ejemplo, cuando se rompe el núcleo de un átomo al chocar con un neutrón. Pero este ya es otro tema y un asunto singular además de espinoso por sus consecuencias.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AMORÓS J. L. El cristal Ed. Urania S.A. ISBN: 84-85218-03-5. Barcelona 1975.
ASIMOV I. Grandes ideas de la ciencia. ISBN 84-206-9956-X Alianza Editorial. Madrid 1994.Pag. 52 y sigtes.
CORNELIUS S. HURLBUT, J. Manual de mineralogía de Dana. Ed. Reverté S.A. Año 1974.
GONZÁLEZ DE VALLEJO LUIS I.-FERRER M.- ORTUÑO L.- OTEO C. ingeniería geológicaMadrid 2005. ISBN 84-205-3104-9 Pearson Educación.
GRIFFITHS D.H.- KING R.F. Geofísica aplicada, para ingenieros y geólogos. Ed. PARANINFO Madrid 1972.
RAMSAY J.G. Plegamiento y fracturación de rocas. H. Blume Ediciones. Madrid 1977.
VILAS MINONDO L. El tiempo en geología. ISBN 84-6888082-5. Lección inaugural del Curso Académico 2004-2005. Madrid.
