30Los recursos de la Tierra

Un teléfono inteligente cabe en un bolsillo y, sin embargo, contiene decenas de elementos químicos: cobre para sus cables, neodimio para los imanes de su altavoz, galio para la luz de su pantalla, indio para el fino recubrimiento de la pantalla que conduce la electricidad, y muchos más. Cada uno de ellos se extrajo del suelo en algún lugar de la Tierra. Una casa contiene mucho más: una vivienda unifamiliar media necesita unas cien toneladas de arena, grava y piedra triturada, y su parte de las calles y de las escuelas que la rodean, unas tres veces más. ¿En qué lugar de la Tierra se encuentran estos materiales, y por qué allí?

Lo que ya sabes

En química se aprende que los materiales que tomamos de la naturaleza son recursos; que una mena es una roca de la que se puede extraer un metal; que un recurso renovable es aquel que la naturaleza renueva tan deprisa como lo usamos; que el carbón, el petróleo y el gas natural son combustibles fósiles; y que el oxígeno, el silicio, el aluminio y el hierro son los elementos más abundantes de la corteza. El agua subterránea llena los poros de un acuífero, y la lluvia lo recarga (Capítulo 17). Los sedimentos se acumulan en capas y se convierten en rocas sedimentarias (Capítulo 21), a lo largo de tiempos que se cuentan en millones de años (Capítulo 22).

30.1 Por qué hay que concentrar un metal

El cobre está en todas partes: una roca corriente contiene un poco, unos pocos gramos por cada cien kilos. Pero para sacar un kilo de cobre de una roca así habría que excavar, triturar y tratar toneladas de ella. La minería solo compensa su coste donde la naturaleza ha reunido el metal en una roca mucho más rica.

Definición 30.1 (Yacimiento mineral y factor de concentración)

Un yacimiento mineral es un cuerpo de roca en el que procesos naturales han concentrado un metal o un mineral lo suficiente para que su extracción sea rentable. El factor de concentración de un metal es el número de veces que su contenido en la mena es mayor que su contenido medio en la corteza:

$$\text{factor de concentración} = \frac{\text{contenido en la mena}}{\text{contenido medio en la corteza}} .$$

Los metales comunes de la corteza, el aluminio y el hierro, solo necesitan concentrarse unas cuatro veces. El cobre necesita unas 80 veces, el zinc unas 600 veces, y los metales más escasos del gráfico, el oro, el estaño y el cromo, miles de veces. Cuanto más escaso es un metal en la corteza, más tiene que trabajar la naturaleza para formar una mena de él, y menos son los lugares donde lo ha hecho.

Ejemplo 30.2 (El cobre)

La corteza contiene de media un $0.006\,\%$ de cobre; una mena de cobre puede explotarse a partir de un $0.5\,\%$. El factor de concentración es $0.5 \div 0.006 \approx 83$, unas 80 veces, o cerca de $10^2$. Otro libro de texto toma $40\,\mathrm{ppm}$ ($0.004\,\%$) para la roca corriente y un $1\,\%$ para la mena: $1 \div 0.004 = 250$. Los dos números difieren, pero ambos dicen lo mismo: una mena de cobre es unas cien veces más rica que la roca corriente.

Método 30.3 (Calcular un factor de concentración)

1. Escribe el contenido del metal en la mena y en la corteza media en la misma unidad (tanto por ciento, o gramos por tonelada).
2. Divide el contenido en la mena entre el contenido en la corteza.
3. Redondea el resultado: lo que importa es su orden de magnitud, unas 10, 100 o 1000 veces, que puedes escribir como una potencia de diez.

30.2 Cómo se forman los yacimientos minerales

La naturaleza concentra los metales de varias maneras. Abajo se muestran tres de ellas.

En el magma. Cuando un cuerpo de magma se enfría, los minerales que cristalizan primero no siempre son los más ligeros. En los magmas procedentes del manto, los minerales pesados ricos en níquel y en cobre se hunden hasta el fondo y se acumulan en una capa rica. La mayor parte del níquel que se extrae en el mundo procede de yacimientos de este tipo.

En las grietas, a partir de agua caliente. El agua subterránea que circula cerca de un cuerpo de magma, a unos pocos kilómetros bajo la superficie, se calienta y sube por las grietas de la roca. El agua caliente disuelve metales de las rocas que atraviesa. Cuando llega a una roca más fría, más cerca de la superficie, los metales salen del agua en forma de minerales y rellenan las grietas: son los filones. Muchos yacimientos de oro son filones de este tipo. Alrededor de algunos cuerpos de magma, el agua caliente ha atravesado toda una masa de roca fracturada y ha dejado en ella cobre, disperso pero en un volumen enorme: son los mayores yacimientos de cobre del mundo.

En las gravas de los ríos. El oro no se oxida y apenas se altera. Cuando la erosión desgasta un filón de oro, el oro se libera en forma de polvo, escamas, granos y a veces pepitas, y los ríos lo transportan aguas abajo. El oro es muy denso: unos $19\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ puro, frente a unos $2.5\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ de la roca corriente. En las crecidas, cuando todo el lecho de arena y grava se mueve, los granos pesados de oro se abren paso hacia abajo y se acumulan sobre la roca madre. Los geólogos llaman a estos yacimientos placeres.

30.3 Carbón, petróleo y gas

El carbón, el petróleo y el gas natural son restos de seres vivos, enterrados antes de que pudieran pudrirse. Casi toda la materia orgánica de una planta o de un animal muertos vuelve a transformarse en dióxido de carbono en unas semanas o unas décadas. Solo la parte aislada del oxígeno del aire, en el fondo de un pantano de aguas estancadas o de un mar profundo, puede quedar enterrada y conservarse durante millones de años.

El carbón. El carbón empieza en los pantanos que bordean ríos y deltas, en climas cálidos y húmedos, donde las plantas crecen deprisa. Los troncos y las hojas muertos caen en un agua quieta que contiene poco oxígeno, y no se pudren. El pantano tiene que durar de siglos a milenios para formar una capa gruesa. Un día, un río cambia de curso o se desborda, y cubre el pantano de arena y barro. A medida que se acumulan más sedimentos, la capa vegetal se comprime y se calienta, y se transforma en carbón: primero un carbón pardo y blando, con alrededor de un tercio de carbono, a unos cientos de metros de profundidad; después un carbón negro y duro, con hasta un 86 % de carbono, a unos pocos kilómetros. El carbón que se extrae hoy en Estados Unidos, por ejemplo, tiene en su mayoría de 100 a 300 millones de años.

El petróleo y el gas. El petróleo y la mayor parte del gas natural proceden de las diminutas plantas y animales que viven en el mar, como las diatomeas. Sus restos se hunden con el barro hasta el fondo del mar, y algunos quedan enterrados antes de descomponerse. Millones de años y kilómetros de sedimentos después, el calor y la presión los transforman: por debajo de unos $2\,\mathrm{km}$, entre unos 60 y $120{}^{\circ}\mathrm{C}$, en petróleo; a temperaturas más altas todavía, en gas. El petróleo y el gas son más ligeros que el agua. Ascienden lentamente a través de los poros de las rocas permeables, y muchos llegan a la superficie y se pierden. Los que encontramos fueron detenidos en su camino por una capa de roca impermeable, a menudo en lo alto de un pliegue abombado hacia arriba, donde se acumulan: el gas arriba, el petróleo debajo y el agua más abajo.

30.4 El agua del subsuelo

El agua subterránea es también un recurso de la Tierra, el que usamos cada día. A diferencia de un metal o del carbón, se renueva: la lluvia recarga los acuíferos. Pero se renueva despacio, y solo tan deprisa como se infiltra la lluvia. En un acuífero que se bombea más deprisa de lo que se recarga, el nivel freático baja y los pozos se secan (Capítulo 17). El agua subterránea es un recurso renovable solo mientras no se extraiga más deprisa de lo que se renueva.

30.5 Arena y grava

El material sólido que más se extrae del suelo no es ni el carbón ni una mena metálica: es la arena y la grava.

Definición 30.4 (Áridos)

Los áridos son la arena, la grava y la piedra triturada que se usan en la construcción: en el hormigón, bajo las carreteras y las vías del tren, y para rellenar el terreno.

La mayor parte de la arena acaba en el hormigón, una mezcla de arena, grava, agua y cemento. En 2019, el mundo necesitaba unos 50 mil millones de toneladas de arena y grava al año, es decir, $5 \times 10^{10}$ toneladas, o unos $18\,\mathrm{kg}$ por cada habitante de la Tierra y por día. La arena y la grava se extraen de graveras en tierra firme, de los lechos de los ríos y, cada vez más, del fondo del mar. Cuando se sacan de un río, llega menos arena a la costa, y las playas situadas aguas abajo se desgastan.

30.6 ¿Renovable o limitado?

Un recurso que la naturaleza renueva en el plazo de una vida humana, como el agua de un acuífero que no se sobreexplota, puede usarse para siempre. Un yacimiento mineral, una capa de carbón o un yacimiento de petróleo tardaron millones de años en formarse. Lo gastamos en unas pocas décadas: a nuestra escala de tiempo, no se renueva en absoluto.

¿Cuánto durará un recurso? Los geólogos solo cuentan lo que se conoce y se puede extraer.

Definición 30.5 (Reservas)

Las reservas de un recurso mineral son la parte de los yacimientos conocidos que puede extraerse de forma rentable, con las técnicas y los precios del momento.

Las reservas no son todo lo que hay en el suelo. Aumentan cuando se descubren nuevos yacimientos, cuando las técnicas mejoran o cuando suben los precios, y disminuyen a medida que se explotan los yacimientos. En 1970, las reservas mundiales de cobre se estimaban en 280 millones de toneladas. Desde entonces se han extraído unos 700 millones de toneladas de cobre, dos veces y media esas reservas, y aun así las reservas de 2024 se estimaban en 980 millones de toneladas.

Datos de 2025

En 2024, las minas del mundo produjeron unos 23 millones de toneladas de cobre. A ese ritmo, las reservas de 980 millones de toneladas durarían $980 \div 23 \approx 43$ años. Esta cifra no es la fecha en que se acabará el cobre: es una medida del cobre que se conoce y que hoy merece la pena extraer.

Un metal, a diferencia del carbón o del petróleo, no se destruye al usarlo: el reciclaje de los materiales, que se estudia en los libros de química, lo recupera. El cobre de un cable viejo, de un motor desguazado o de los recortes de una fábrica puede fundirse y refinarse de nuevo. En Estados Unidos, en 2024, el cobre recuperado de la chatarra representó alrededor del $35\,\%$ de todo el cobre utilizado.

Ejemplo 30.6 (La roca que ahorra el reciclaje)

Una mena con un $0.5\,\%$ de cobre contiene $5\,\mathrm{kg}$ de cobre en cada tonelada de roca. Para obtener una tonelada de cobre hay que excavar, triturar y tratar unas $1000 \div 5 = 200$ toneladas de mena, y casi toda ella acaba como roca de desecho. Cada tonelada de cobre obtenida de la chatarra deja esas 200 toneladas de roca en el suelo — y el yacimiento dura más.

30.7 Ejercicios

Ejercicio 30.1 ★

Completa con la palabra adecuada (yacimiento mineral, factor de concentración, áridos, reservas). (a) La arena que se usa en el hormigón forma parte de los … (b) La parte del cobre conocido que hoy puede extraerse de forma rentable son las … de cobre. (c) Una roca en la que un metal es lo bastante rico para explotarse es un … (d) El número de veces que se ha concentrado un metal es su …

Solución

Solución de Ejercicio 30.1.

(a) Áridos. (b) Reservas. (c) Yacimiento mineral. (d) Factor de concentración.

Ejercicio 30.2 ★

¿Qué manera de concentrar un metal describe cada frase: en el magma, en las grietas a partir de agua caliente, o en las gravas de los ríos? (a) Unas pepitas de oro descansan sobre la roca madre, bajo la grava de un arroyo. (b) El agua caliente rellena una grieta de cuarzo y oro. (c) Una capa de minerales pesados de níquel se encuentra en el fondo de un antiguo cuerpo de magma. (d) La erosión libera el oro de un filón.

Solución

Solución de Ejercicio 30.2.

(a) En las gravas de los ríos. (b) En las grietas, a partir de agua caliente. (c) En el magma. (d) Es el primer paso de un yacimiento de gravas fluviales: el oro liberado lo transporta después el río.

Ejercicio 30.3 ★

Ordena estas etapas: (a) la capa vegetal queda enterrada bajo arena de río; (b) crecen árboles en un pantano; (c) se forma un carbón negro y duro a kilómetros de profundidad; (d) las plantas muertas se acumulan bajo el agua quieta; (e) se forma un carbón pardo y blando.

Solución

Solución de Ejercicio 30.3.

(b), (d), (a), (e), (c).

Ejercicio 30.4 ★

A la escala de una vida humana, ¿es renovable cada recurso, o no? Explícalo en una frase. (a) El carbón. (b) El agua de un acuífero que se bombea menos de lo que la lluvia lo recarga. (c) Una mena de cobre. (d) El mismo acuífero bombeado dos veces más deprisa de lo que se recarga.

Solución

Solución de Ejercicio 30.4.

(a) No renovable: tarda millones de años en formarse. (b) Renovable: la lluvia repone lo que se extrae. (c) No renovable: un yacimiento mineral se forma a lo largo de tiempos muy largos. (d) No renovable a ese ritmo: el nivel freático baja y los pozos acaban secos.

Ejercicio 30.5 ★★

Calcula el factor de concentración y escríbelo después como una potencia de diez, redondeado: (a) zinc, $0.007\,\%$ en la corteza, mena a partir de un $4\,\%$; (b) estaño, $0.0002\,\%$ en la corteza, mena a partir de un $0.5\,\%$; (c) hierro, $5.6\,\%$ en la corteza, mena a partir de un $20\,\%$. (d) ¿Por qué el hierro necesita tan poca concentración?

Solución

Solución de Ejercicio 30.5.

(a) $4 \div 0.007 \approx 571$, del orden de $10^3$ (entre $10^2$ y $10^3$, más cerca de $10^3$). (b) $0.5 \div 0.0002 = 2500$, del orden de $10^3$. (c) $20 \div 5.6 \approx 3.6$, unas 4 veces: entre $10^0$ y $10^1$. (d) El hierro ya es muy abundante en la corteza: basta una mena solo unas pocas veces más rica que la roca corriente.

Ejercicio 30.6 ★★

El oro puro tiene una densidad de unos $19.3\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$; la roca corriente, de unos $2.5\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$. (a) ¿Cuántas veces más denso es el oro? (b) ¿Cuál es la masa de un grano de oro de $0.01\,\mathrm{cm}^{3}$, y la de un grano de roca del mismo tamaño? (c) Explica por qué, en una crecida, el oro acaba en el fondo de la grava, sobre la roca madre.

Solución

Solución de Ejercicio 30.6.

(a) $19.3 \div 2.5 \approx 7.7$ veces. (b) Oro: $19.3 \times 0.01 = 0.193\,\mathrm{g}$; roca: $2.5 \times 0.01 = 0.025\,\mathrm{g}$. (c) Cuando todo el lecho se mueve, los granos de oro, pesados, se hunden entre la arena y los cantos, más ligeros, hasta la roca madre sólida, donde se detienen.

Ejercicio 30.7 ★★

Usa el gráfico de los factores de concentración. (a) ¿Qué metales necesitan un factor de más de $10^3$? (b) ¿Entre qué potencias de diez se encuentra el cobre? (c) ¿Cuántas veces más hay que concentrar el cromo que el aluminio? (d) ¿Cuál de los siete metales esperarías encontrar explotado en menos lugares? Explícalo.

Solución

Solución de Ejercicio 30.7.

(a) El oro, el estaño y el cromo. (b) Entre $10^1$ y $10^2$, cerca de $10^2$. (c) $3000 \div 3.7 \approx 800$ veces. (d) El cromo (o el estaño, o el oro): cuanto mayor es el factor de concentración, más escasos son los lugares donde la naturaleza ha concentrado el metal lo suficiente.

Ejercicio 30.8 ★★

El mundo necesita unos $18\,\mathrm{kg}$ de arena y grava por persona y por día. (a) ¿Cuánto es eso por persona en un año, en toneladas? (b) Escribe 50 mil millones de toneladas en notación científica. (c) Un camión carga $25\,\mathrm{t}$. ¿Cuántos días hacen falta para que la parte de una persona lo llene? (d) ¿Por qué sacar arena de un río puede hacer que una playa situada aguas abajo se reduzca?

Solución

Solución de Ejercicio 30.8.

(a) $18 \times 365 = 6570\,\mathrm{kg}$, unas $6.6\,\mathrm{t}$. (b) $5 \times 10^{10}$ toneladas. (c) $25000 \div 18 \approx 1389$ días, casi cuatro años. (d) La arena sacada del río ya no viaja aguas abajo hasta la costa; las olas siguen llevándose arena de la playa, pero llega menos para reponerla.

Ejercicio 30.9 ★★

(a) ¿De qué seres vivos proceden la mayor parte del petróleo y del gas? (b) Por debajo de unos $2\,\mathrm{km}$, ¿a qué temperaturas se forma el petróleo? (c) ¿Por qué el petróleo y el gas se desplazan hacia arriba a través de las rocas? (d) ¿Qué tipo de roca los detiene, y dónde se acumulan?

Solución

Solución de Ejercicio 30.9.

(a) De diminutas plantas y animales del mar, como las diatomeas, enterrados en el barro del fondo marino. (b) Entre unos 60 y $120{}^{\circ}\mathrm{C}$. (c) Son más ligeros que el agua, que llena los poros de las rocas. (d) Una capa impermeable, como la lutita; se acumulan bajo ella, a menudo en lo alto de un pliegue abombado, el gas encima del petróleo.

Ejercicio 30.10 ★★

La mina de Chuquicamata ha producido más de 29 millones de toneladas de cobre en más de 100 años. (a) Escribe 29 millones de toneladas en notación científica. (b) ¿Cuál es, aproximadamente, la producción media por año? (c) Si la mena contuviera un $1\,\%$ de cobre, ¿cuántas toneladas de mena se excavaron para obtener 29 millones de toneladas de cobre? Usa la notación científica. (d) ¿Por qué una mina de una mena tan pobre tiene que ser tan grande?

Solución

Solución de Ejercicio 30.10.

(a) $2.9 \times 10^7$ toneladas. (b) $2.9 \times 10^7 \div 100 = 2.9 \times 10^5$ toneladas al año, aproximadamente. (c) La mena pesa 100 veces más que el cobre que contiene: $2.9 \times 10^7 \times 100 = 2.9 \times 10^9$ toneladas. (d) Cada tonelada de mena solo da $10\,\mathrm{kg}$ de cobre, así que hay que excavar miles de millones de toneladas de roca.

Ejercicio 30.11 ★★★

En 1970, las reservas mundiales de cobre se estimaban en 280 millones de toneladas. De 1970 a 2024 se extrajeron unos 697 millones de toneladas, y las reservas de 2024 eran de 980 millones de toneladas, con 23 millones de toneladas extraídas en 2024. (a) Si las reservas de 1970 hubieran sido todo el cobre que había, ¿cuándo se habrían agotado? Compáralo con lo que se extrajo. (b) ¿Cuántas veces mayores son las reservas de 2024 que las de 1970? (c) Calcula cuántos años durarían las reservas de 2024 al ritmo de 2024. (d) Da dos razones por las que las reservas pueden aumentar mientras se explotan.

Solución

Solución de Ejercicio 30.11.

(a) A 23 millones de toneladas al año habrían durado unos $280 \div 23 \approx 12$ años, hasta principios de la década de 1980; sin embargo, se extrajeron 697 millones de toneladas, mucho más que esas reservas. (b) $980 \div 280 = 3.5$ veces. (c) $980 \div 23 \approx 43$ años. (d) Por ejemplo: se descubren nuevos yacimientos; unas técnicas mejores o unos precios más altos hacen rentables yacimientos más pobres.

Ejercicio 30.12 ★★★

Una capa de carbón tiene $3 \times 10^8$ años. Su pantano duró $2 \times 10^3$ años, y la capa se agota en 50 años de explotación. (a) Escribe 50 años en notación científica. (b) ¿Cuántas veces más que la explotación duró el pantano? (c) ¿Cuántas veces más antigua que el tiempo de explotación es la capa? (d) Usa estos números para explicar por qué se dice que el carbón es un recurso no renovable.

Solución

Solución de Ejercicio 30.12.

(a) $5 \times 10^1$ años. (b) $2 \times 10^3 \div 50 = 40$ veces. (c) $3 \times 10^8 \div (5 \times 10^1) = 6 \times 10^6$ veces. (d) El carbón tardó millones de veces más en formarse que lo que tardamos en usarlo: la naturaleza no lo renueva a nuestra escala de tiempo.

30.8 Problema: hormigón para una ciudad nueva

Problema 30.1

Problema de fin de semana — se construye una ciudad nueva con la arena de una gravera cercana; la respuesta final es el número de años que durarían las reservas de arena de la gravera

Se van a construir en diez años las $2000$ viviendas de una ciudad nueva, cerca de una antigua gravera excavada en las gravas de una terraza fluvial. Contando su parte de las calles, de las escuelas y de las tiendas, cada vivienda necesita unas $300\,\mathrm{t}$ de áridos, de las que el $40\,\%$ es arena. La capa de arena de la gravera mide $1.2\,\mathrm{km}$ de largo, $500\,\mathrm{m}$ de ancho y $5\,\mathrm{m}$ de espesor; un metro cúbico de su arena tiene una masa de $1.6\,\mathrm{t}$. La gravera vende además $136\,000$ toneladas de arena al año al resto de la región.

Parte I — ¿Cuánta arena?

1. Una vivienda unifamiliar sola necesita unas $100\,\mathrm{t}$ de áridos. Escribe esta masa en kilogramos, en notación científica.
2. ¿Cuántas toneladas de áridos necesitará toda la ciudad?
3. ¿Cuántas toneladas son al año, a lo largo de los diez años?
4. ¿Cuántas toneladas de arena al año necesita la ciudad?

Parte II — Las reservas.

5. Calcula el volumen de la capa de arena, en metros cúbicos, en notación científica.
6. Un tercio de la capa está bajo un pueblo y una carretera, y no se excavará. ¿Qué volumen puede extraerse?
7. ¿Cuál es la masa de estas reservas, en toneladas?
8. ¿Cuántas toneladas de arena venderá la gravera cada año, a la ciudad y a la región juntas?

Parte III — ¿Renovable o no?

9. Cada año, el río aporta a la zona unas $2000$ toneladas de arena nueva. ¿Cuántas veces más arena vende la gravera?
10. A la escala de la vida de la ciudad, ¿es esta arena un recurso renovable? Explícalo.
11. Si la ciudad sustituyera una cuarta parte de su arena por hormigón viejo triturado, ¿cuántas toneladas de arena ahorraría cada año?
12. Sin ese reciclaje, ¿cuántos años durarían las reservas de arena de la gravera?

Solución

Solución de Problema 30.1.

1. $100 \times 1000 = 100\,000$ kg $= 1 \times 10^5$ kg.

2. $2000 \times 300 = 600\,000$ t $= 6 \times 10^5$ t.

3. $6 \times 10^5 \div 10 = 6 \times 10^4$ t al año.

4. $0.40 \times 6 \times 10^4 = 2.4 \times 10^4$ t de arena al año.

5. $1200 \times 500 \times 5 = 3 \times 10^6$ m$^3$.

6. Dos tercios: $2 \times 10^6$ m$^3$.

7. $2 \times 10^6 \times 1.6 = 3.2 \times 10^6$ t.

8. $24\,000 + 136\,000 = 160\,000$ t $= 1.6 \times 10^5$ t al año.

9. $160\,000 \div 2000 = 80$ veces más.

10. No: la gravera se vacía 80 veces más deprisa de lo que el río renueva la arena. A la escala de la ciudad, esta arena es un recurso limitado.

11. $24\,000 \div 4 = 6000$ t de arena al año.

12. $3.2 \times 10^6 \div (1.6 \times 10^5) = 20$: 20 años.