TEMA 2: ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LA TIERRA. LOS MÉTODOS DE ESTUDIO

Introducción

 

La Tierra es un sistema complejo y dinámico, un laboratorio planetario en constante evolución. Comprender su estructura interna y composición no es un ejercicio de erudición geológica, sino la base fundamental para descifrar los procesos que moldean nuestro entorno: desde la tectónica de placas, que genera continentes y océanos, hasta el campo magnético que nos protege de la radiación cósmica.

Este tema es crucial en la educación secundaria, ya que sienta las bases de la alfabetización geocientífica. En el marco de la LOMLOE (Ley Orgánica 3/2020), y sus desarrollos curriculares (RD 217/2022 para ESO y RD 243/2022 para Bachillerato), este contenido trasciende la memorización de las capas terrestres. Su objetivo es que el alumnado desarrolle el pensamiento científico (Competencia STEM) y la conciencia ciudadana (Competencia Ciudadana), al conectar la geología interna con fenómenos tangibles como los riesgos geológicos (terremotos, volcanes) y la gestión de recursos energéticos y minerales (Competencia Ecosocial).

Estudiar el interior de la Tierra es, en esencia, aprender a interpretar las “huellas” indirectas que nos deja el planeta, fomentando la indagación y la resolución de problemas a partir de evidencias.

 

1.     Fundamentos científicos y modelos terrestres

 

El conocimiento del interior terrestre es uno de los grandes triunfos de la ciencia indirecta. Dado que la perforación más profunda (el pozo superprofundo de Kola) apenas rozó los 12,3 km, una fracción minúscula del radio terrestre (aprox. 6.371 km), nuestro entendimiento proviene de la interpretación de señales físicas y químicas.

 

1.1  Métodos de Estudio: Las Herramientas del Geofísico

 

Métodos Directos (Limitados pero esenciales):

 

• Sondeos y Perforaciones: Aportan información detallada de la corteza más superficial. El proyecto IODP (International Ocean Discovery Program) continúa esta labor en los fondos oceánicos, proporcionando datos clave sobre la corteza oceánica y los límites de placas.
• Análisis de Rocas Superficiales y Xenolitos: Las erupciones volcánicas transportan a la superficie fragmentos del manto (xenolitos, principalmente peridotitas), ofreciendo muestras directas de su composición.
• Meteoritos: El estudio de los meteoritos, especialmente las condritas (composición similar a la nebulosa solar primitiva) y los meteoritos metálicos (sideritos), nos da el modelo composicional más fiable del planeta en su conjunto, sugiriendo un núcleo de Fe-Ni y un manto de silicatos.

 

Métodos Indirectos (La clave del conocimiento profundo):

 

• Método Sísmico (La “Ecosonda” Terrestre): Es la herramienta más poderosa. El análisis de cómo las ondas sísmicas (generadas por terremotos o artificialmente) viajan por el interior del planeta revela su estructura.
  • Ondas P (Primarias): Longitudinales, viajan por sólidos y líquidos.
  • Ondas S (Secundarias): Transversales, no se propagan por fluidos.
  • Discontinuidades Sísmicas: Son superficies donde la velocidad de las ondas cambia bruscamente, indicando un cambio de composición o estado físico. Las principales son:
    1. Discontinuidad de Mohorovičić (Moho): Separa la corteza del manto.
    2. Discontinuidad de Gutenberg: Separa el manto del núcleo externo. Se detecta por la drástica caída de velocidad de las ondas P y la desaparición de las ondas S (la “zona de sombra” de las S), demostrando que el núcleo externo es líquido.
    3. Discontinuidad de Lehmann-Wiechert: Separa el núcleo externo (líquido) del núcleo interno (sólido).
• Actualización Científica: Tomografía Sísmica: Esta técnica, análoga a un TAC médico, utiliza los datos de miles de sismógrafos para crear un modelo 3D del interior. Ha revolucionado nuestra visión:
  • Ha demostrado que el manto no es homogéneo. Se visualizan “plumas” calientes que ascienden (puntos calientes) y “losas” frías de litosfera oceánica que subducen hundiéndose en el manto.
  • Ha identificado dos anomalías gigantes en la base del manto (las LLSVP o “superplumas” de África y el Pacífico), que parecen jugar un papel clave en la convección mantélica y la tectónica de placas.
• Otros Métodos:
  • Gravimetría: Mide las anomalías de la gravedad. Misiones satelitales (como GRACE) detectan variaciones en la distribución de masa, cruciales para entender el movimiento del agua, el hielo y las corrientes del manto.
  • Magnetismo: El estudio del campo magnético (Paleomagnetismo y misiones como SWARM de la ESA) confirma su origen en el núcleo externo (la geodinamo) y sus inversiones periódicas.
  • Geotermia: El flujo de calor interno (gradiente geotérmico) evidencia un planeta “vivo”, caliente por el calor remanente de su formación y la desintegración radiactiva.

 

1.2  Los Modelos de la Tierra: Geoquímico y Geodinámico

 

Los datos sísmicos y composicionales nos permiten definir dos modelos superpuestos de la estructura terrestre:

 

Modelo Geoquímico (Basado en Composición)	Modelo Geodinámico (Basado en Comportamiento Mecánico)
Corteza (Silicatos ligeros: Si, Al, K, Na). Continental: Granítica, gruesa, poco densa. Oceánica: Basáltica, fina, más densa.	Litosfera (Rígida y quebradiza). Comprende la Corteza + la parte superior del Manto Superior (Manto litosférico). Está fragmentada en las placas tectónicas.
Manto (Silicatos densos: Si, O, Mg, Fe). Superior: Peridotita (Olivino, Piroxenos). Inferior: Silicatos más densos (Perovskita, Post-perovskita).	Astenosfera (Dúctil y plástica). Parte del Manto Superior. No es líquida, sino un sólido que puede fluir muy lentamente (como un glaciar). Permite el movimiento de las placas litosféricas.
Núcleo (Metálico: Fe, Ni). Externo: Aleación de Fe-Ni (y elementos ligeros como S, O, Si). Interno: Aleación de Fe-Ni.	Mesosfera (Rígida por la alta presión). Corresponde al resto del Manto (Manto inferior). Participa en la convección global (lenta).
	Endosfera (Comportamiento fluido y sólido). Núcleo Externo: Líquido, genera la geodinamo. Núcleo Interno: Sólido (pese a la Tª, por la enorme presión), estabiliza el campo magnético.

 

1.3. Composición y Procesos Clave

 

• La Corteza: Es el resultado de la diferenciación planetaria. La corteza continental, antigua y diversa, “flota” más alto que la joven y densa corteza oceánica, que se recicla continuamente en las zonas de subducción.
• El Manto: El Motor Tectónico: La convección del manto, impulsada por el calor interno, es el motor de la tectónica de placas. Las células de convección (aún debatidas si son a manto completo o en capas) arrastran las placas litosféricas, provocando la deriva continental, la formación de montañas y la actividad sísmica y volcánica en los bordes de placa.
• El Núcleo: El Escudo Magnético: El movimiento convectivo del hierro fundido en el núcleo externo actúa como una dinamo (la “geodinamo”), generando el campo magnético terrestre. Este campo es vital para la vida, pues desvía el viento solar y gran parte de la radiación cósmica. El núcleo interno sólido crece lentamente a medida que el planeta se enfría, liberando calor que ayuda a mantener la convección del núcleo externo.

 

Aplicación didáctica

 

El enfoque LOMLOE exige superar el modelo transmisivo (lista de capas y profundidades) para adoptar metodologías activas donde el alumno construya el modelo de la Tierra a partir de la interpretación de evidencias.

 

Competencias Específicas Clave:

 

• ESO (RD 217/2022): CE.BG.2 (Interpretar el planeta como un sistema dinámico), CE.BG.3 (Analizar riesgos geológicos).
• Bachillerato (RD 243/2022): CE.BG.1 (Usar métodos científicos para analizar sistemas), CE.BG.4 (Relacionar la estructura interna con la tectónica y los riesgos).

 

Ejemplo de Aplicación 1: 3º ESO – ABP “Detectives Sísmicos”

 

• Metodología: Aprendizaje Basado en Problemas (ABP) e Indagación.
• Situación de Aprendizaje: Se informa a los alumnos que ha ocurrido un gran terremoto en un lugar desconocido. Su misión, como equipo de geofísicos, es localizarlo y determinar la estructura interna básica del planeta.
• Desarrollo:
  1. Indagación (Datos): Se les proporcionan sismogramas (simplificados) de 3 estaciones (ej. Madrid, Tokio, Nueva York).
  2. Modelización (Cálculo): Aprenden la diferencia entre ondas P (llegan antes) y S. Usando la diferencia de tiempo P-S (el intervalo S-P), calculan la distancia al epicentro de cada estación.
  3. Resolución (Triangulación): Usando un mapa mundial y compases (o herramientas digitales como Google Earth o GeoGebra), triangulan el epicentro del terremoto.
  4. Inferencia (El Núcleo): Se añade una estación “problema” (ej. Sídney), situada en la zona de sombra de las ondas S. Los alumnos observan que las ondas P llegan (con retraso) pero las S no.
  5. Conclusión (Producto final): El alumnado debe formular una hipótesis que explique la ausencia de ondas S. Se les guía para concluir la existencia de una capa interna fluida (el núcleo externo).
• Recursos TIC: Simuladores de ondas sísmicas (PhET), visor de terremotos en tiempo real (ej. IRIS Earthquake Browser o app del IGN).
• Evaluación: Capacidad de interpretar gráficos (sismogramas), aplicar el método de triangulación (STEM 2) y formular una hipótesis basada en evidencias (STEM 1).

 

Ejemplo de Aplicación 2: 1º Bachillerato – “Construyendo un Planeta a Escala”

 

• Metodología: Flipped Classroom y Modelización Matemática.
• Situación de Aprendizaje: ¿Cómo podemos visualizar algo tan inmenso como la Tierra? Vamos a crear un modelo a escala real y funcional.
• Desarrollo:
  1. Flipped (Casa): El alumnado visualiza vídeos sobre las propiedades físicas (densidad, presión, temperatura) de las capas terrestres y lee un texto sobre la composición (inspirado en el documento DOCX adjunto, pero actualizado).
  2. Aula (Datos): Se trabaja con una tabla de datos reales: radios de las capas, densidades medias, masas y volúmenes.
  3. Modelización Matemática (STEM 2):
     • Actividad A (Escala 1D): Si el radio de la Tierra (6.371 km) fuera un rollo de papel higiénico de 50 metros (50.000 mm), ¿cuántos milímetros ocuparía la corteza (ej. 30 km)? ¿Y el núcleo (3.480 km)? Los alumnos calculan la escala y se sorprenden de lo “fina” que es la corteza (aprox. 0,2 mm en esa escala).
     • Actividad B (Modelo 3D – Densidad): Se plantea el reto de construir un modelo de la Tierra usando líquidos de diferente densidad (ej. miel, agua con colorante, aceite) en una probeta.
  4. Discusión y Síntesis: Se discute por qué los materiales más densos (Fe-Ni, como la miel) están en el centro y los más ligeros (silicatos, como el aceite/agua) en la superficie, conectando con el proceso de diferenciación planetaria por gravedad durante la formación de la Tierra.
• Recursos: Hojas de cálculo (Excel, Google Sheets), probetas, líquidos de distinta densidad.
• Evaluación: Precisión en los cálculos de escala (STEM 2), capacidad de relacionar densidad con la estructura en capas (STEM 1) y comunicar los resultados (CCL).

 

Conexión interdisciplinar y orientación vocacional

Este tema es un nexo STEM fundamental:

• Física y Química: Es pura aplicación de la propagación de ondas (Física), termodinámica (convección), estados de la materia (presión/temperatura), radiactividad (calor interno) y la tabla periódica (composición química, silicatos, metales).
• Matemáticas: El trabajo con escalas, proporciones, gráficos de velocidad/profundidad y geometría esférica (triangulación) es constante (STEM 2).
• Tecnología: Desarrollo de sensores (sismómetros, magnetómetros), análisis de Big Data (tomografía sísmica) e ingeniería de materiales (estudio de minerales a alta presión).

 

Orientación Vocacional:

Este tema abre la puerta a numerosas profesiones científico-técnicas:

• Geofísica y Geología: Exploración de recursos (agua, minerales críticos para la transición energética, geotermia), investigación planetaria (exogeología).
• Ingeniería Geotécnica e Ingeniería Civil: Evaluación de riesgos sísmicos para la construcción de infraestructuras (edificios, puentes, presas).
• Ciencia de Datos y Programación: Modelización y simulación de la dinámica terrestre y el clima.
• Gestión Ambiental: Comprensión de los yacimientos minerales y la gestión sostenible de los recursos del subsuelo.

 

Conclusión

 

El estudio de la estructura y composición de la Tierra ha pasado de ser un modelo estático de “capas de cebolla” a un modelo dinámico 3D de un planeta vivo y en convección. La actualización científica, especialmente la tomografía sísmica, nos muestra un interior complejo, motor de la tectónica de placas que define nuestra superficie.

Desde la perspectiva didáctica de la LOMLOE, este tema es una oportunidad excelente para que el alumnado desarrolle el pensamiento científico, no aceptando el modelo como un dogma, sino entendiéndolo como el resultado de la interpretación de evidencias indirectas (ondas sísmicas). Formar ciudadanos que comprendan por qué tiembla la tierra, de dónde viene el magnetismo que guía las brújulas o cómo se gestionan los recursos del subsuelo es fundamental para una sociedad sostenible y científicamente alfabetizada.

Normativa y Bibliografía

 

• Ley Orgánica 3/2020, de 29 de diciembre, por la que se modifica la Ley Orgánica 2/2006, de 3 de mayo, de Educación (LOMLOE).
• Real Decreto 217/2022, de 29 de marzo, por el que se establece la ordenación y las enseñanzas mínimas de la Educación Secundaria Obligatoria.
• Real Decreto 243/2022, de 5 de abril, por el que se establecen la ordenación y las enseñanzas mínimas del Bachillerato.
• Anguita, F., & Castilla, G. (2003). Crónicas de un explorador de la Tierra: el planeta de los geólogos. Editorial Complutense.
• Instituto Geográfico Nacional (IGN). Recursos didácticos sobre Sismología y Volcanología.
• IRIS Consortium. IRIS Earthquake Browser and educational resources.
• Tarbuck, E. J., Lutgens, F. K., & Tasa, D. G. (Última edición). Ciencias de la Tierra: una introducción a la geología física. Pearson Educación.
• UNESCO (2022). Earth Sciences for Society: Key Issues and proposals for the future. (Contexto sobre la relevancia de las geociencias para la sostenibilidad).