Tectónica de placas en directo

Fallas, pliegues, clivajes, colisiones entre continentes, cabalgamientos y otros muchos fenómenos geológicos en nuestro laboratorio.

EL Cilindro de Marboré, en el macizo pirenaico de Monte Perdido, ofrece una espectacular muestra de pliegues y cabalgamientos formados durante la orogenia Alpina. [CORTESÍA DE MANUEL IGNACIO DE PAZ. GEOLOGYPICS.WORDPRESS.COM]

NOTA DE LOS EDITORES: Hemos añadido nuevos elementos en la sección «Taller y Laboratorio» porque queremos que sea realmente útil y práctica para los amantes de la experimentación (científicos aficionados, profesores de ciencias experimentales, estudiantes...). Si tienes ideas de mejora, por favor envíanos tus sugerencias a [email protected]

 

EL EXPERIMENTO
Construiremos dos simuladores de fenómenos tectónicos. Aprenderemos a modelizar las estructuras geológicas que observamos en la naturaleza y desarrollaremos nuestras habilidades constructivas.

MATERIALES
Listones de madera
Placas de metacrilato
Espigas roscadas
Tornillos
Sal común
Tamices
Colador
Pigmentos minerales
Sierra eléctrica
Taladro
Tacos de madera
Globo
Hoja de papel de lija

PRECIO APROXIMADO
Entre 50 y 100 euros (según el tamaño de los aparatos construidos).

TIEMPO
Construcción de uno de los aparatos: una jornada
Fase experimental: horas o días (según el número de simulaciones)


Fue casi por casualidad. Había caído en mis manos una guía de puntos de interés geológico. Mientras la estaba hojeando, encontré un artilugio que me hizo recordar algo interesantísimo: la geología no es solo una ciencia de campo; no es solo una ciencia «de bota», sino también «de bata». En el laboratorio podemos realizar experimentos para modelizar los fenómenos geológicos que observamos en la naturaleza, «acelerar» el paso del tiempo y comprender mucho mejor la formación de las grandiosas estructuras que nos muestra el sustrato sólido de la Tierra.

En efecto, a poco que nos desplacemos por la superficie de nuestro planeta, observaremos bellísimas arrugas (el relieve), surcadas por capas y estratos deformados (la tectónica), resultados de la acción de potentísimos esfuerzos mecánicos de la corteza terráquea. Pese a la espectacularidad y el interés científico de estos fenómenos, la geología es una ciencia olvidada en muchas de nuestras aulas. Por poner un ejemplo, nuestros jóvenes ignoran a menudo la importancia de los yacimientos minerales, las condiciones de su formación, los métodos de explotación y hasta qué punto es esencial la geología para proveernos de todo cuanto necesitamos —incluido el móvil que tanto les interesa, engendrado a partir de centenares de minerales—.

¿Qué podemos hacer para mejorar la enseñanza de la geología? ¿Cómo podemos despertar el interés de nuestros alumnos? Desde esta sección recomendamos recurrir a experimentos «de verdad», reales, visuales y tangibles. Y es aquí donde entra en escena el artefacto que descubrí en aquel libro: una sencilla máquina de deformación de estratos, una especie de modelo analógico que capta lo esencial de la formación de pliegues, fallas y otras muchas estructuras.

Desde que en 1879 Gabriel-Auguste Daubrée publicara sus célebres Estudios sintéticos de geología experimental, los dispositivos de modelización geológica para la enseñanza consisten, en lo esencial, en una caja de madera con la parte frontal transparente, dotada de un largo tornillo roscado que desplaza un émbolo rectangular que se mueve por su interior. Ese émbolo, o pistón, comprime distintos materiales (arena, barro o incluso láminas de espuma de poliuretano), deformando sus estructuras y formando pliegues y fallas. Su construcción es fácil, pero debemos tener en cuenta ciertos detalles.

Para empezar, cuidado con el tamaño. No podemos subestimar la potencia y la resistencia mecánica necesarias para que nuestro aparato funcione de manera fiable. Para entender mejor las limitaciones del tamaño, observemos las imágenes 1a y 1b. Al inicio, finas láminas de sal común coloreada se extienden formando estratos continuos y regulares. Tras desplazar el émbolo unos 200 milímetros, se comprimen: se reduce la extensión horizontal y aumenta mucho el espesor vertical. Al principio, el esfuerzo mecánico que debemos realizar es pequeño. Pero, conforme crece el grosor de los estratos, más nos cuesta mover el tornillo de presión. El émbolo tiende a cabecear y el conjunto de la máquina se deforma. A menos, claro está, que sea especialmente rígida y —atención— relativamente pequeña. Por tanto, vale la pena moderar nuestras expectativas y escoger un tamaño más bien reducido, si no queremos encontrarnos luego con un funcionamiento deficiente.

Otro aspecto importante es que debemos olvidarnos de construir una máquina universal. La fenomenología geológica es tan diversa y abarca tantos órdenes de magnitud que es imposible diseñar un dispositivo que nos permita reproducirlos todos. Nos centraremos, pues, en dos propuestas experimentales, que nos permitirán observar los fenómenos tectónicos desde dos puntos de vista: las secciones y la superficie.

Aparato I: Observación de secciones

Empecemos por el aparato «fácil». Observemos el primer dibujo (Caja para la observación de secciones): una caja de madera, larga y esbelta, con la cara frontal cerrada con una placa de metacrilato bastante gruesa. El espacio de experimentación (la distancia que separa los dos émbolos, más sus dimensiones en sección) es de 330 milímetros de largo, 90 de altura y 75 de fondo. A ello hay que sumar dos espacios más, uno en cada extremo, que garantizan un movimiento lineal de los dos tornillos de presión, siendo el diámetro de estos últimos de 16 milímetros. El movimiento de los dos émbolos se consigue acoplando un taladro en el extremo libre de los tornillos.

 

Caja para la observación de secciones. [MARC BOADA FERRER]

 

Encontraremos todo el material necesario (las tablas de madera, de pino, y todo lo demás) en una tienda de bricolaje. (Si bien este aparato puede modificarse en función de los materiales que tengamos a mano, deberemos tener en cuenta que los espesores de la estructura son notables, que los émbolos son muy anchos, que la rosca es muy grande y que, al pasar a través de dos paredes, queda perfectamente alineada con el eje del aparato, sin que en principio las deformaciones puedan afectarle.)

Finalmente, prestemos atención a la cavidad: es poco profunda, más bien estrecha y pensada para observar cortes geológicos. Ello es importantísimo para que no debamos ejercer una fuerza excesiva. Veamos por qué.

Con la máquina ya construida, empieza una fase de experimentación en la que nos asalta un nuevo reto: ¿con qué material vamos a experimentar? Históricamente se han utilizado tortas de arcilla, arena, harina, yeso en polvo, líquidos muy viscosos, perdigones o, como antes decíamos, láminas de espuma e incluso alpiste. Naturalmente, cada material tiene su propio comportamiento y, por tanto, su rango de aplicación. Pero no deben preocuparnos solo las propiedades físicas. También tenemos que ser pragmáticos. Así que escogeremos un material capaz de tomar diversos colores y de producir estratos finos, pero también barato y fácil de encontrar.

Si utilizamos un material con una granulometría muy gruesa (bolitas de poliestireno expandido o alpiste), su ligereza y baja fricción interna nos pueden simplificar las cosas. Sin embargo, deberemos trabajar con capas muy espesas para que queden bien marcadas y, por tanto, necesitaremos una caja muy grande —lo que no nos conviene—.

Por suerte, hay un material que cumple con todos nuestros requisitos: la sal de cocina. Nos proveeremos, pues, de unos kilos de sal común, de la más fina, y la tamizaremos a fondo para separar y reservar las distintas granulometrías que la componen.

Luego, a las distintas fracciones añadiremos pigmentos minerales para colorearlas (los encontraremos en tiendas de construcción o de bellas artes). Finalmente, mediante un pequeño colador, esparciremos en el interior de la caja de experimentación las fracciones coloreadas. De vez en cuando aplicaremos una fina capa de sal sin colorear, que marcará los planos de estratificación.

Con todo a punto, acoplaremos el taladro en uno de los tornillos y procederemos a comprimir lentamente las capas de sal. El fenómeno es muy interesante: los estratos se deslizan sobre la base, se engrosan y deforman, apareciendo pliegues y cabalgamientos (1a y 1b). La sal funciona bien porque presenta cierta cohesión interna (siempre está húmeda), pero también se desliza sobre sí misma con cierta facilidad, especialmente si está coloreada, ya que el polvillo tintóreo envuelve los granos, lubricando el contacto entre estos.

Formación de pliegues y cabalgamientos. [MARC BOADA FERRER]


Como ya dijimos más arriba, conforme el proceso avanza topamos con mayor resistencia mecánica y debemos aplicar más fuerza. Si queremos un funcionamiento suave y regular, no tendremos más remedio que reducir el espesor de la cámara de experimentación. Es decir, cuanto más delgadas sean las secciones geológicas, mejor.

Pero ello también tiene inconvenientes. Trabajar con una sección tan estrecha impide observar una parte no menos interesante de la tectónica: la superficie. Los pliegues, fallas y discontinuidades tienen un reflejo en la superficie, el relieve, cuya observación es también interesante. Por ello proponemos la construcción de un segundo dispositivo.

Aparato II: Observación del relieve

En esta ocasión, la razón de aspecto de nuestro espacio de experimentación será muy distinta. El segundo artefacto será, en planta, bastante más amplio (de las dimensiones de un DIN A4) pero mucho más bajo, de forma que se conserven las proporciones del instrumento preliminar —que sabemos que funciona—.

En el primer aparato hemos comprobado que el émbolo puede movilizar sedimento en una cavidad con una superficie (en sección vertical) de unos 70 centímetros cuadrados. Aplicaremos a nuestro nuevo dispositivo esa misma magnitud. Teniendo en cuenta que el ancho será de 21 centímetros, trabajaremos con un paquete de sal de 3 o 4 centímetros de espesor. Ello nos obligará a disponer capas muy finas de material perfectamente tamizado. El resultado, eso sí, será espectacular. Al comprimir el sedimento, aparecen deformaciones superficiales interesantísimas, que reproducen a la perfección las cordilleras externas de sistemas compresivos como los Pirineos, por citar un ejemplo.

Una segunda diferencia de este instrumento respecto del anterior es que el desplazamiento del émbolo se produce junto con el de la base de la cavidad. Ello permite simular movimientos tectónicos en los que participa un sustrato activo.

Miremos el segundo dibujo (Caja para la observación del relieve). Observemos que, sobre una bancada rígida diseñada para fijarse con un par de sargentos a una mesa, se desliza una placa de madera que por un lado es solidaria al tornillo de presión y por el otro tiene un listón que cumple las funciones de émbolo. En el otro extremo del espacio de experimentación hay un mamparo vertical estático, por debajo del cual se desliza la placa móvil.

Caja para la observación del relieve. [MARC BOADA FERRER]

 

Veamos ahora algunas de las simulaciones que podemos llevar a cabo con nuestros dos aparatos. Lo mejor es empezar con pruebas sencillas; el propósito es desarrollar la pericia necesaria para otras más complejas.

Colisión de dos continentes. En el aparato para la observación de secciones colocaremos dos paquetes de sedimentos de granulometría ligeramente distinta, uno a cada lado del espacio de experimentación. Mediante el acercamiento de los dos émbolos, entrarán en colisión (2a y 2b).

Colisión de dos continentes. [MARC BOADA FERRER]

Clivaje de pizarras. En el instrumento para la observación de secciones, colocaremos los dos émbolos relativamente cerca. Llenaremos la caja con capas perfectamente paralelas. Tras someterlas a presión, las figuras obtenidas guardan un parecido increíble con las estructuras reales (3).

Clivaje. [MARC BOADA FERRER]


Subducción.
 En el segundo aparato, el más ancho y con la base móvil, pegaremos sobre esta una hoja de papel de lija. Ello nos permitirá reproducir el arrastre de las capas producido por el zócalo continental en movimiento (4). A este efecto podemos superponer la presión del pistón o solo la de la masa de sedimentos contra el mamparo; el resultado será sustancialmente distinto, ya que a la elevación que sufre el sedimento al colisionar con el mamparo se suma una segunda fase de compresión inducida por el pistón y, por tanto, aparece una complejidad tectónica similar a la de algunos afloramientos de los sistemas alpinos.

Subducción. [MARC BOADA FERRER]

Cabalgamiento. En la máquina para la observación de secciones, dispongamos entre los sedimentos una hoja de papel fino. Simularemos un plano de deslizamiento a partir del cual resulta muy fácil lograr un cabalgamiento (5).

Cabalgamiento. [MARC BOADA FERRER]

Superadas estas primeras pruebas, podemos embarcarnos en procesos más complejos.

Falla. En el aparato para la observación de secciones, pongamos un taco en forma de cuña ante el émbolo y desplacemos este. O, aún más interesante, pongamos dos tacos y entre ellos otro de forma trapezoidal y separemos los émbolos. El resultado será una falla perfecta en todos sus detalles.

Cizallamiento. Para estudiar los desplazamientos horizontales y antagonistas de dos masas, utilizaremos el segundo aparato, el más ancho. Le añadiremos dos bloques de madera que comprimirán el sustrato. Se generará así un campo de grietas ortogonales que responden a los esfuerzos de cizalla.

Movimientos verticales. En el aparato para la observación de secciones coloquemos un globo deshinchado bajo el sustrato e interpongamos una fina lámina de plástico. Luego hinchemos el globo a través de la base, donde habremos practicado un agujero. Observaremos la formación de estructuras anticlinales. Si repetimos el proceso, pero al revés, veremos la formación de las formas sinclinales. En el segundo aparato, podremos ver estructuras de colapso, como calderas volcánicas y dolinas.

Así, poco a poco, utilizando toda nuestra imaginación, conseguiremos reproducir una parte sustancial de las principales estructuras tectónicas de una forma tan visual y sugerente que sin duda nuestros alumnos quedarán fascinados.

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