El reciclaje de la corteza terrestre es un proceso tectónico mediante el cual el material de la superficie de la litosfera se recicla hacia el manto mediante erosión por subducción o delaminación . Las losas en subducción transportan compuestos volátiles y agua al manto, así como material de la corteza terrestre con una firma isotópica diferente a la del manto primitivo. La identificación de esta firma de la corteza en rocas derivadas del manto (como los basaltos o kimberlitas de las dorsales en medio del océano ) es una prueba del reciclaje de la corteza.
Entre 1906 y 1936 , RD Oldham , A. Mohorovičić , B. Gutenberg e I. Lehmann utilizaron datos sismológicos para demostrar que la Tierra estaba formada por una corteza y un manto sólidos, un núcleo externo fluido y un núcleo interno sólido. [1] El desarrollo de la sismología como herramienta moderna para obtener imágenes del interior profundo de la Tierra se produjo durante la década de 1980, [2] y con ella se desarrollaron dos bandos de geólogos: los defensores de la convección del manto completo [3] [4] y la convección del manto en capas. proponentes. [5] [6]
Los defensores de la convección del manto en capas sostienen que la actividad convectiva del manto es en capas, separadas por transiciones de fase de empaquetamiento más denso de minerales como olivino , granate y piroxeno a estructuras cristalinas más densas ( espinela y luego perovskita y post-perovskita de silicato ). Las losas que están subducidas pueden tener flotabilidad negativa como resultado del frío debido al tiempo que estuvieron en la superficie y la inundación con agua, pero esta flotabilidad negativa no es suficiente para avanzar a través de la transición de fase de 660 km.
Los defensores de la convección de todo el manto (simple) sostienen que las diferencias de densidad observadas en el manto (que se infieren como productos de transiciones de fase mineral) no restringen el movimiento convectivo, que se mueve a través del manto superior e inferior como una sola célula convectiva. Las losas en subducción pueden moverse a través de la transición de fase de 660 km y acumularse cerca del fondo del manto en un "cementerio de losas", y pueden ser la fuerza impulsora de la convección en el manto a nivel local [7] y a escala de la corteza. [2]
El destino final del material de la corteza terrestre es clave para comprender los ciclos geoquímicos , así como las heterogeneidades persistentes en el manto, los afloramientos y los innumerables efectos sobre la composición del magma, el derretimiento, la tectónica de placas, la dinámica del manto y el flujo de calor. [8] Si las losas se estancan en el límite de 660 km, como sugiere la hipótesis del manto en capas, no pueden incorporarse a las columnas de puntos calientes, que se cree que se originan en el límite entre el núcleo y el manto. Si las losas terminan en un "cementerio de losas" en el límite entre el núcleo y el manto, no pueden participar en la geometría de subducción de losas planas. Es probable que la dinámica del manto sea una combinación de las dos hipótesis de los miembros finales, lo que da como resultado un sistema de convección del manto parcialmente estratificado.
La comprensión actual de la estructura de la Tierra profunda se basa principalmente en la inferencia de mediciones directas e indirectas de las propiedades del manto utilizando técnicas de sismología , petrología , geoquímica isotópica y tomografía sísmica . En particular, se depende en gran medida de la sismología para obtener información sobre el manto profundo cerca del límite entre el núcleo y el manto.
Aunque la tomografía sísmica estaba produciendo imágenes de baja calidad [2] del manto de la Tierra en la década de 1980, las imágenes publicadas en un artículo editorial de 1997 en la revista Science mostraban claramente una losa fría cerca del límite entre el núcleo y el manto, [9] al igual que el trabajo completado en 2005 por Hutko et al., que muestra una imagen de tomografía sísmica que puede ser material de losa plegado y frío en el límite entre el núcleo y el manto. [10] Sin embargo, las transiciones de fase aún pueden desempeñar un papel en el comportamiento de las losas en profundidad. Schellart et al. demostró que la transición de fase de 660 km puede servir para desviar las losas que descienden. [11] La forma de la zona de subducción también fue clave para determinar si la geometría de la losa podría superar el límite de transición de fase. [12]
La mineralogía también puede desempeñar un papel, ya que el olivino localmente metaestable formará áreas de flotabilidad positiva, incluso en una losa fría que desciende, y esto podría causar que las losas se "estancaran" en la mayor densidad de la transición de fase de 660 km. [13] La mineralogía de la losa y su evolución en profundidad [14] no se calcularon inicialmente con información sobre la velocidad de calentamiento de una losa, lo que podría resultar esencial para ayudar a mantener la flotabilidad negativa el tiempo suficiente para atravesar el cambio de fase de 660 km. Trabajo adicional completado por Spasojevic et al. [15] mostraron que los mínimos locales en el geoide podrían explicarse por los procesos que ocurren dentro y alrededor de los cementerios de losas, como se indica en sus modelos.
Comprender que las diferencias entre las capas de la Tierra no son sólo reológicas , sino químicas, es esencial para comprender cómo podemos rastrear el movimiento del material de la corteza incluso después de que se haya subducido. Después de que una roca se ha movido a la superficie de la Tierra desde debajo de la corteza , se pueden tomar muestras de esa roca para determinar su composición isotópica estable . Luego se puede comparar con las composiciones isotópicas conocidas de la corteza y el manto, así como con las condritas , que se cree que representan material original de la formación del Sistema Solar en un estado prácticamente inalterado.
Un grupo de investigadores pudo estimar que entre el 5 y el 10% del manto superior está compuesto de material de la corteza terrestre reciclado. [16] Kokfelt et al. completaron un examen isotópico de la pluma del manto bajo Islandia [17] y descubrieron que las lavas del manto en erupción incorporaron componentes de la corteza inferior, lo que confirma el reciclaje de la corteza a nivel local.
Algunas unidades de carbonatita , que están asociadas con magmas inmiscibles ricos en volátiles [18] y el mineral indicador del manto diamante , han mostrado señales isotópicas para el carbono orgánico, que solo podrían haber sido introducidas por material orgánico subducido. [19] [20] El trabajo realizado sobre carbonatitas por Walter et al. [18] y otros [4] desarrollan aún más los magmas en profundidad como derivados de la deshidratación del material de losa.
Las firmas isotópicas de magmas δ 34 S también se han utilizado para medir el grado de reciclaje de la corteza terrestre a lo largo del tiempo geológico. [21]