Una columna de manto es un mecanismo propuesto de convección dentro del manto de la Tierra , que se plantea como una hipótesis para explicar el vulcanismo anómalo. [2] Debido a que la cabeza de la columna se derrite parcialmente al alcanzar profundidades poco profundas, a menudo se invoca una columna como la causa de los puntos calientes volcánicos , como Hawái o Islandia , y de las grandes provincias ígneas como las Traps del Decán y Siberia . Algunas de estas regiones volcánicas se encuentran lejos de los límites de las placas tectónicas , mientras que otras representan un vulcanismo de volumen inusualmente grande cerca de los límites de las placas.
Las columnas del manto fueron propuestas por primera vez por J. Tuzo Wilson en 1963 [3] [4] y desarrolladas por W. Jason Morgan en 1971 y 1972. [4] Se postula que una columna del manto existe donde el material sobrecalentado se forma ( nuclea ) en el límite núcleo-manto y asciende a través del manto de la Tierra. En lugar de una corriente continua, las columnas deben verse como una serie de burbujas calientes de material. [5] Al llegar a la frágil corteza superior de la Tierra forman diapiros . [6] Estos diapiros son "puntos calientes" en la corteza. En particular, el concepto de que las columnas del manto están fijas entre sí y ancladas en el límite núcleo-manto proporcionaría una explicación natural para las cadenas progresivas en el tiempo de volcanes más antiguos que se ven extendiéndose desde algunos de esos puntos calientes, por ejemplo, la cadena de montes submarinos Hawaianos-Emperadores . Sin embargo, los datos paleomagnéticos muestran que las columnas del manto también pueden estar asociadas con grandes provincias de baja velocidad de corte (LLSVP) [7] [8] y se mueven entre sí. [9]
La teoría actual de la pluma del manto sostiene que el material y la energía del interior de la Tierra se intercambian con la corteza superficial en dos flujos convectivos distintos y en gran medida independientes:
La hipótesis de la pluma fue simulada mediante experimentos de laboratorio en pequeños tanques llenos de fluido a principios de la década de 1970. [12] Las plumas térmicas o fluidodinámicas compositivas producidas de esa manera se presentaron como modelos para las plumas del manto postuladas, mucho más grandes. Con base en estos experimentos, ahora se postula que las plumas del manto constan de dos partes: un conducto largo y delgado que conecta la parte superior de la pluma con su base, y una cabeza bulbosa que se expande en tamaño a medida que la pluma se eleva. La estructura completa se asemeja a un hongo. La cabeza bulbosa de las plumas térmicas se forma porque el material caliente se mueve hacia arriba a través del conducto más rápido de lo que la propia pluma se eleva a través de sus alrededores. A fines de la década de 1980 y principios de la de 1990, los experimentos con modelos térmicos mostraron que a medida que la cabeza bulbosa se expande, puede arrastrar parte del manto adyacente hacia sí misma.
El tamaño y la aparición de penachos del manto en forma de hongo se pueden predecir mediante la teoría de inestabilidad transitoria de Tan y Thorpe. [13] [14] La teoría predice penachos del manto en forma de hongo con cabezas de aproximadamente 2000 km de diámetro que tienen un tiempo crítico (tiempo desde el inicio del calentamiento del manto inferior hasta la formación de un penacho) de aproximadamente 830 millones de años para un flujo de calor del manto central de 20 mW/m 2 , mientras que el tiempo del ciclo (el tiempo entre los eventos de formación de penachos) es de aproximadamente 2000 millones de años. [15] Se predice que el número de penachos del manto será de aproximadamente 17.
Cuando una columna de lava se topa con la base de la litosfera, se espera que se aplane contra esta barrera y sufra una fusión generalizada por descompresión para formar grandes volúmenes de magma basáltico. Luego puede entrar en erupción en la superficie. El modelado numérico predice que la fusión y la erupción se producirán a lo largo de varios millones de años. [16] Estas erupciones se han relacionado con basaltos de inundación , aunque muchos de ellos erupcionan en escalas de tiempo mucho más cortas (menos de 1 millón de años). Los ejemplos incluyen las trampas del Decán en la India, las trampas siberianas de Asia, los basaltos/doleritas de Karoo-Ferrar en Sudáfrica y la Antártida, las trampas de Paraná y Etendeka en América del Sur y África (anteriormente una sola provincia separada por la apertura del Océano Atlántico Sur), y los basaltos del río Columbia de América del Norte. Los basaltos de inundación en los océanos se conocen como mesetas oceánicas e incluyen la meseta de Ontong Java del Océano Pacífico occidental y la meseta de Kerguelen del Océano Índico.
Se cree que el estrecho conducto vertical, que se postula que conecta la cabeza de la columna con el límite entre el núcleo y el manto, proporciona un suministro continuo de magma a un punto caliente. A medida que la placa tectónica suprayacente se mueve sobre este punto caliente, se espera que la erupción de magma desde la columna fija hacia la superficie forme una cadena de volcanes que sigue un movimiento paralelo al de las placas. [17] La cadena de islas hawaianas en el océano Pacífico es el ejemplo arquetípico. Recientemente se ha descubierto que el lugar volcánico de esta cadena no se ha fijado a lo largo del tiempo, por lo que se unió al club de los muchos ejemplos tipo que no presentan la característica clave propuesta originalmente. [18]
La erupción de basaltos de inundación continental suele estar asociada a la ruptura y el desprendimiento de los continentes , lo que ha llevado a la hipótesis de que las columnas del manto contribuyen a la ruptura y la formación de cuencas oceánicas.
La composición química e isotópica de los basaltos encontrados en puntos calientes difiere sutilmente de los basaltos de las dorsales oceánicas. [20] Estos basaltos, también llamados basaltos de islas oceánicas (OIB), se analizan en sus composiciones radiogénicas e isotópicas estables. En los sistemas de isótopos radiogénicos, el material originalmente subducido crea tendencias divergentes, denominadas componentes del manto. [21] Los componentes del manto identificados son DMM (manto de basalto de dorsal oceánica empobrecido [MORB]), HIMU (manto de alta relación U/Pb), EM1 (manto enriquecido 1), EM2 (manto enriquecido 2) y FOZO (zona de enfoque). [22] [23] Esta firma geoquímica surge de la mezcla de materiales cercanos a la superficie, como losas subducidas y sedimentos continentales, en la fuente del manto. Hay dos interpretaciones en competencia para esto. En el contexto de las columnas del manto, se postula que el material cercano a la superficie fue transportado hasta el límite entre el núcleo y el manto por placas en subducción, y que fue transportado de regreso a la superficie por columnas. En el contexto de la hipótesis de la placa, el material subducido es recirculado principalmente en el manto superficial y extraído de allí por volcanes.
Los isótopos estables como el Fe se utilizan para rastrear los procesos que experimenta el material ascendente durante la fusión. [24]
El procesamiento de la corteza oceánica, la litosfera y los sedimentos a través de una zona de subducción desacopla los oligoelementos solubles en agua (por ejemplo, K, Rb, Th) de los oligoelementos inmóviles (por ejemplo, Ti, Nb, Ta), concentrando los elementos inmóviles en la placa oceánica (los elementos solubles en agua se agregan a la corteza en los volcanes de arco insular). La tomografía sísmica muestra que las placas oceánicas subducidas se hunden hasta el fondo de la zona de transición del manto a 650 km de profundidad. La subducción a mayores profundidades es menos segura, pero hay evidencia de que pueden hundirse hasta profundidades medias-inferiores del manto a unos 1.500 km de profundidad.
Se postula que la fuente de las columnas del manto es el límite entre el núcleo y el manto, a 3000 km de profundidad. [25] Debido a que hay poco transporte de material a través del límite entre el núcleo y el manto, la transferencia de calor debe ocurrir por conducción, con gradientes adiabáticos por encima y por debajo de este límite. El límite entre el núcleo y el manto es una fuerte discontinuidad térmica (temperatura). La temperatura del núcleo es aproximadamente 1000 grados Celsius más alta que la del manto suprayacente. Se postula que las columnas se elevan a medida que la base del manto se vuelve más caliente y más flotante.
Se postula que las columnas ascienden a través del manto y comienzan a fundirse parcialmente al llegar a profundidades poco profundas en la astenosfera por fusión por descompresión . Esto crearía grandes volúmenes de magma. Este derretimiento sube a la superficie y entra en erupción para formar puntos calientes.
El contraste térmico más prominente conocido que existe en el manto profundo (1000 km) se encuentra en el límite entre el núcleo y el manto, a 2900 km. Originalmente se postuló que las columnas del manto se elevaban desde esta capa porque se pensaba que los puntos calientes que se supone que son su expresión superficial estaban fijos entre sí. Esto requería que las columnas se originaran debajo de la astenosfera superficial, que se cree que fluye rápidamente en respuesta al movimiento de las placas tectónicas suprayacentes. No se conoce otra capa límite térmica importante en las profundidades de la Tierra, por lo que el límite entre el núcleo y el manto era el único candidato.
La base del manto se conoce como capa D″ , una subdivisión sismológica de la Tierra. Parece tener una composición distinta a la del manto suprayacente y puede contener material parcialmente fundido.
En el manto inferior, bajo África y bajo el Pacífico central, existen dos provincias muy amplias y de baja velocidad de cizallamiento . Se postula que de su superficie o de sus bordes se elevan columnas de gas. [27] Se pensaba que sus bajas velocidades sísmicas sugerían que eran relativamente calientes, aunque recientemente se ha demostrado que sus bajas velocidades de onda se deben a la alta densidad causada por la heterogeneidad química. [28] [29]
Algunas líneas de evidencia comunes y básicas citadas en apoyo de la teoría son las cadenas volcánicas lineales, los gases nobles , las anomalías geofísicas y la geoquímica .
La distribución progresiva en el tiempo de la cadena de montes submarinos Hawaianos-Emperadores se ha explicado como resultado de una columna fija del manto profundo que se eleva hasta el manto superior, se derrite parcialmente y provoca la formación de una cadena volcánica a medida que la placa se mueve por encima en relación con la fuente de la columna fija. [25] Otros puntos calientes con cadenas volcánicas progresivas en el tiempo detrás de ellos incluyen Reunión , la dorsal Chagos-Laccadive , la dorsal Louisville , la dorsal Ninety East y Kerguelen , Tristán y Yellowstone .
Si bien hay evidencia de que las cadenas mencionadas anteriormente son progresivas en el tiempo, se ha demostrado que no son fijas entre sí. El ejemplo más notable de esto es la cadena del Emperador, la parte más antigua del sistema de Hawái, que se formó por la migración del punto caliente además del movimiento de las placas. [30] Otro ejemplo son las Islas Canarias en el noreste de África en el Océano Atlántico. [31] [32]
El helio-3 es un isótopo primordial que se formó en el Big Bang . Desde entonces, se produce muy poco y otros procesos han añadido poco a la Tierra. [33] El helio-4 incluye un componente primordial, pero también se produce por la desintegración radiactiva natural de elementos como el uranio y el torio . Con el tiempo, el helio de la atmósfera superior se pierde en el espacio. Por lo tanto, la Tierra se ha quedado progresivamente sin helio y el 3He no se reemplaza como el 4He . Como resultado, la relación 3He / 4He en la Tierra ha disminuido con el tiempo.
Se han observado concentraciones de 3 He/ 4 He inusualmente altas en algunos puntos calientes, pero no en todos. Esto se explica por las columnas que se dirigen a un depósito profundo y primordial en el manto inferior, donde las proporciones originales y altas de 3 He/ 4 He se han conservado a lo largo del tiempo geológico. [34]
Se ha sugerido que otros elementos, como el osmio , son trazadores de material que surge cerca del núcleo de la Tierra, en basaltos de islas oceánicas. Sin embargo, hasta ahora faltan pruebas concluyentes de esto. [35]
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La hipótesis de las columnas se ha puesto a prueba buscando anomalías geofísicas que se prevé que estén asociadas a ellas, entre ellas anomalías térmicas, sísmicas y de elevación. Las anomalías térmicas son inherentes al término "punto caliente". Se pueden medir de muchas maneras diferentes, entre ellas el flujo de calor superficial, la petrología y la sismología. Las anomalías térmicas producen anomalías en las velocidades de las ondas sísmicas, pero, lamentablemente, también las producen la composición y el derretimiento parcial. Como resultado, las velocidades de las ondas no se pueden utilizar de forma sencilla y directa para medir la temperatura, sino que se deben adoptar métodos más sofisticados.
Las anomalías sísmicas se identifican mediante el mapeo de las variaciones en la velocidad de las ondas a medida que las ondas sísmicas viajan a través de la Tierra. Se predice que una columna de manto caliente tendrá velocidades de onda sísmica más bajas en comparación con un material similar a una temperatura más baja. El material del manto que contiene un rastro de fusión parcial (por ejemplo, como resultado de tener un punto de fusión más bajo), o que es más rico en Fe, también tiene una velocidad de onda sísmica más baja y esos efectos son más fuertes que la temperatura. Por lo tanto, aunque las velocidades de onda inusualmente bajas se han tomado para indicar un manto anómalamente caliente debajo de puntos calientes, esta interpretación es ambigua. [36] Las imágenes de velocidad de onda sísmica citadas con más frecuencia que se utilizan para buscar variaciones en regiones donde se han propuesto columnas provienen de la tomografía sísmica. Este método implica el uso de una red de sismómetros para construir imágenes tridimensionales de la variación en la velocidad de onda sísmica a lo largo del manto. [37]
Las ondas sísmicas generadas por grandes terremotos permiten determinar la estructura que se encuentra debajo de la superficie de la Tierra a lo largo de la trayectoria de los rayos. Las ondas sísmicas que han viajado mil kilómetros o más (también llamadas ondas telesísmicas ) se pueden utilizar para obtener imágenes de grandes regiones del manto terrestre. Sin embargo, también tienen una resolución limitada y solo se pueden detectar estructuras de al menos varios cientos de kilómetros de diámetro.
Las imágenes de tomografía sísmica se han citado como evidencia de una serie de columnas de manto en el manto de la Tierra. [38] Sin embargo, existe un intenso debate en curso sobre si las estructuras fotografiadas se resuelven de manera confiable y si corresponden a columnas de roca caliente y ascendente. [39]
La hipótesis de la pluma del manto predice que se desarrollarán elevaciones topográficas domales cuando las cabezas de las plumas impacten en la base de la litosfera. Una elevación de este tipo ocurrió cuando se abrió el océano Atlántico Norte hace unos 54 millones de años. Algunos científicos han vinculado esto a una pluma del manto que se postula que causó la ruptura de Eurasia [ cita requerida ] y la apertura del Atlántico Norte, que ahora se sugiere que se encuentra debajo de Islandia . Sin embargo, la investigación actual ha demostrado que la historia temporal de la elevación es probablemente mucho más corta de lo previsto. Por lo tanto, no está claro con qué fuerza esta observación respalda la hipótesis de la pluma del manto.
Los basaltos que se encuentran en las islas oceánicas son geoquímicamente distintos del basalto de las dorsales oceánicas (MORB). El basalto de las islas oceánicas (OIB) es más diverso en composición que el MORB, y la gran mayoría de las islas oceánicas están compuestas de basalto alcalino enriquecido en sodio y potasio en relación con el MORB. Las islas más grandes, como Hawái o Islandia, son principalmente basalto toleítico , con basalto alcalino limitado a las últimas etapas de su desarrollo, pero este basalto toleítico es químicamente distinto del basalto toleítico de las dorsales oceánicas. El OIB tiende a estar más enriquecido en magnesio, y tanto el OIB alcalino como el toleítico están enriquecidos en elementos traza incompatibles , y los elementos de tierras raras ligeros muestran un enriquecimiento particular en comparación con los elementos de tierras raras más pesados. Las proporciones de isótopos estables de los elementos estroncio , neodimio , hafnio , plomo y osmio muestran amplias variaciones en relación con MORB, lo que se atribuye a la mezcla de al menos tres componentes del manto: HIMU con una alta proporción de plomo radiogénico , producido por la desintegración del uranio y otros elementos radiactivos pesados; EM1 con un menor enriquecimiento de plomo radiogénico; y EM2 con una alta proporción de 87 Sr/ 86 Sr. El helio en OIB muestra una variación más amplia en la proporción 3 He/ 4 He que MORB, con algunos valores que se acercan al valor primordial. [40]
La composición de los basaltos de las islas oceánicas se atribuye a la presencia de distintos reservorios químicos del manto formados por la subducción de la corteza oceánica. Estos incluyen reservorios correspondientes a HUIMU, EM1 y EM2. Se cree que estos reservorios tienen diferentes composiciones de elementos principales, con base en la correlación entre las composiciones de elementos principales de OIB y sus proporciones de isótopos estables. El OIB toleítico se interpreta como un producto de un mayor grado de fusión parcial en columnas particularmente calientes, mientras que el OIB alcalino se interpreta como un producto de un menor grado de fusión parcial en columnas más pequeñas y frías. [40]
En 2015, basándose en datos de 273 grandes terremotos, los investigadores compilaron un modelo basado en tomografía de forma de onda completa, que requirió el equivalente a 3 millones de horas de tiempo de supercomputadora. [41] Debido a limitaciones computacionales, los datos de alta frecuencia aún no se podían usar, y los datos sísmicos seguían sin estar disponibles de gran parte del fondo marino. [41] No obstante, se visualizaron columnas verticales, 400 C más calientes que la roca circundante, bajo muchos puntos calientes, incluidos los puntos calientes de Pitcairn , Macdonald , Samoa , Tahití , Marquesas , Galápagos , Cabo Verde y Canarias . [42] Se extendieron casi verticalmente desde el límite núcleo-manto (2900 km de profundidad) hasta una posible capa de cizallamiento y flexión a 1000 km. [41] Eran detectables porque tenían entre 600 y 800 km de ancho, más de tres veces el ancho esperado de los modelos contemporáneos. [41] Muchas de estas columnas se encuentran en las grandes provincias de baja velocidad de corte bajo África y el Pacífico, mientras que otros puntos críticos como Yellowstone estaban menos claramente relacionados con las características del manto en el modelo. [43]
El tamaño inesperado de las columnas deja abierta la posibilidad de que puedan conducir la mayor parte de los 44 teravatios de flujo de calor interno de la Tierra desde el núcleo hasta la superficie, y significa que el manto inferior convecta menos de lo esperado, si es que lo hace. Es posible que exista una diferencia de composición entre las columnas y el manto circundante que las frene y las ensanche. [41]
Se ha sugerido que las columnas del manto son la fuente de basaltos de inundación . [45] [46] Estas erupciones extremadamente rápidas y a gran escala de magmas basálticos han formado periódicamente provincias de basalto de inundación continental en mesetas terrestres y oceánicas en las cuencas oceánicas, como las Traps del Decán , [47] las Traps de Siberia , [48] los basaltos de inundación Karoo-Ferrar de Gondwana , [49] y el basalto de inundación continental más grande conocido, la provincia magmática del Atlántico Central (CAMP). [50]
Muchos eventos de inundación continental de basalto coinciden con el rifting continental. [51] Esto es consistente con un sistema que tiende al equilibrio: a medida que la materia se eleva en una columna del manto, otro material es arrastrado hacia el manto, lo que causa rifting. [51]
Paralelamente al modelo de la pluma del manto, se han considerado dos explicaciones alternativas para los fenómenos observados: la hipótesis de la placa y la hipótesis del impacto.
Desde principios del siglo XXI, se ha desarrollado un debate paradigmático en torno a las columnas de humo, conocido como "el gran debate de las columnas de humo", [52] [53] [54] [55] en el que se ha cuestionado la hipótesis de la columna de humo y se ha contrastado con la más reciente hipótesis de las placas ("Placas frente a columnas de humo"). [56] [57] La razón de esto es que la hipótesis de la columna de humo no ha sido adecuada para hacer predicciones fiables desde su introducción en 1971 y, por lo tanto, se ha adaptado repetidamente a los puntos calientes observados según la situación. [57] Con el tiempo, con el creciente número de modelos, el concepto de columna de humo se convirtió en una hipótesis débilmente definida, que como término general actualmente no es ni demostrable ni refutable. [56] [57]
La insatisfacción con el estado de la evidencia de las plumas del manto y la proliferación de hipótesis ad hoc llevaron a varios geólogos, liderados por Don L. Anderson , Gillian Foulger y Warren B. Hamilton , a proponer una alternativa amplia basada en procesos superficiales en el manto superior y por encima, con énfasis en la tectónica de placas como fuerza impulsora del magmatismo. [56]
La hipótesis de las placas sugiere que el vulcanismo "anómalo" es resultado de la extensión litosférica que permite que el material fundido ascienda pasivamente desde la astenosfera que se encuentra debajo. Por lo tanto, es la inversa conceptual de la hipótesis de la columna, ya que la hipótesis de las placas atribuye el vulcanismo a procesos superficiales, cercanos a la superficie, asociados con la tectónica de placas, en lugar de a procesos activos que surgen en el límite entre el núcleo y el manto.
La extensión litosférica se atribuye a procesos relacionados con la tectónica de placas. Estos procesos son bien conocidos en las dorsales oceánicas, donde se produce la mayor parte del vulcanismo de la Tierra. Es menos conocido que las propias placas se deforman internamente y pueden permitir el vulcanismo en aquellas regiones donde la deformación es extensional. Ejemplos bien conocidos son la provincia de Basin and Range en el oeste de los EE. UU., el valle del Rift de África Oriental y el Graben del Rin . Según esta hipótesis, los volúmenes variables de magma se atribuyen a variaciones en la composición química (grandes volúmenes de vulcanismo corresponden a material del manto que se funde más fácilmente) en lugar de a diferencias de temperatura.
Si bien no niega la presencia de convección profunda del manto y afloramiento en general, la hipótesis de la placa sostiene que estos procesos no dan lugar a columnas de manto, en el sentido de características verticales en forma de columna que abarcan la mayor parte del manto de la Tierra, transportan grandes cantidades de calor y contribuyen al vulcanismo superficial. [36] : 277
Bajo el paraguas de la hipótesis de las placas, se reconocen los siguientes subprocesos, todos los cuales pueden contribuir a permitir el vulcanismo superficial: [36]
Además de estos procesos, se sabe que los eventos de impacto como los que crearon el cráter Addams en Venus y el Complejo Ígneo Sudbury en Canadá han causado derretimiento y vulcanismo. En la hipótesis del impacto, se propone que algunas regiones de vulcanismo de puntos calientes pueden ser desencadenadas por ciertos impactos oceánicos de gran tamaño que son capaces de penetrar la litosfera oceánica más delgada , y el vulcanismo de basalto de inundación puede ser desencadenado por energía sísmica convergente enfocada en el punto antípoda opuesto a los principales sitios de impacto. [58] El vulcanismo inducido por impacto no se ha estudiado adecuadamente y comprende una categoría causal separada de vulcanismo terrestre con implicaciones para el estudio de puntos calientes y tectónica de placas.
En 1997 se hizo posible utilizar la tomografía sísmica para obtener imágenes de placas tectónicas sumergidas que penetran desde la superficie hasta el límite entre el núcleo y el manto. [59]
En el caso del punto caliente de Hawái , la tomografía de difracción de ondas corporales sísmicas de período largo proporcionó evidencia de que una columna del manto es responsable, como se había propuesto ya en 1971. [60] En el caso del punto caliente de Yellowstone , la evidencia sismológica comenzó a converger a partir de 2011 en apoyo del modelo de columna, como concluyeron James et al., "favorecemos una columna del manto inferior como el origen del punto caliente de Yellowstone". [61] [62] Los datos adquiridos a través de Earthscope , un programa que recopila datos sísmicos de alta resolución en todo Estados Unidos contiguos , han acelerado la aceptación de una columna subyacente a Yellowstone. [63] [64]
Si bien existe evidencia sólida de que al menos estas dos columnas profundas del manto se elevan desde el límite entre el núcleo y el manto, la confirmación de que se pueden descartar otras hipótesis puede requerir evidencia tomográfica similar para otros puntos calientes.
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )que se planteó la hipótesis de la pluma del manto en 1971, los científicos se han enfrentado al problema de que sus predicciones no se confirman mediante la observación. Durante treinta años, la reacción habitual ha sido adaptar la hipótesis de numerosas maneras. Como resultado, la multitud de variantes actuales de la pluma ahora equivale a una hipótesis infalible.
