Profundidad del fondo marino en función de su edad

Término en geología

La profundidad del fondo marino en los flancos de una dorsal oceánica está determinada principalmente por la edad de la litosfera oceánica ; el fondo marino más antiguo es más profundo. Durante la expansión del fondo marino , el enfriamiento, la contracción y el ajuste isostático de la litosfera y el manto con la edad provocan la profundización del fondo marino. Esta relación se ha entendido mejor desde alrededor de 1969 con actualizaciones significativas en 1974 y 1977. Se han propuesto dos teorías principales para explicar esta observación: una en la que el manto, incluida la litosfera, se está enfriando; el modelo del manto de enfriamiento, y una segunda en la que una placa de litosfera se enfría sobre un manto a una temperatura constante; el modelo de placa de enfriamiento. El modelo del manto de enfriamiento explica las observaciones de profundidad-edad para fondos marinos más jóvenes de 80 millones de años. El modelo de placa de enfriamiento explica mejor las observaciones de profundidad-edad para fondos marinos de más de 20 millones de años. Además, el modelo de placa de enfriamiento explica la profundidad casi constante y el flujo de calor observado en fondos marinos y litosferas muy antiguos. En la práctica, resulta conveniente utilizar la solución del modelo del manto de enfriamiento para una relación edad-profundidad menor de 20 millones de años. Para edades más antiguas, el modelo de placas de enfriamiento también se ajusta a los datos. Más allá de los 80 millones de años, el modelo de placas se ajusta mejor que el modelo del manto.

Fondo

Las primeras teorías sobre la expansión del fondo marino a principios y mediados del siglo XX explicaban las elevaciones de las dorsales oceánicas como afloramientos por encima de las corrientes de convección en el manto terrestre . ^{[1] [2]}

La siguiente idea conectó la expansión del fondo marino y la deriva continental en un modelo de tectónica de placas . En 1969, las elevaciones de las dorsales se explicaron como la expansión térmica de una placa litosférica en el centro de expansión. ^[3] Este "modelo de enfriamiento de placas" fue seguido en 1974 al observar que las elevaciones de las dorsales podían modelarse mediante el enfriamiento de todo el manto superior, incluida cualquier placa. ^[4] Esto fue seguido en 1977 por un modelo de placas más refinado que explicaba los datos que mostraban que tanto las profundidades del océano como el flujo de calor de la corteza oceánica se acercaban a un valor constante para fondos marinos muy antiguos. ^[5] Estas observaciones no podían explicarse mediante el "modelo de enfriamiento del manto" anterior , que predecía un aumento de la profundidad y una disminución del flujo de calor a edades muy antiguas.

Topografía del fondo marino: modelos de litosfera y manto de enfriamiento

La profundidad del fondo marino (o la altura de una ubicación en una dorsal oceánica por encima de un nivel base) está estrechamente correlacionada con su edad (es decir, la edad de la litosfera en el punto donde se mide la profundidad). La profundidad se mide hasta la parte superior de la corteza oceánica , debajo de cualquier sedimento suprayacente. La relación edad-profundidad se puede modelar mediante el enfriamiento de una placa litosférica ^{[3] [6] [7] [8] [5]} o el semiespacio del manto en áreas sin subducción significativa . ^[4] La distinción entre los dos enfoques es que el modelo de placa requiere que la base de la litosfera mantenga una temperatura constante a lo largo del tiempo y el enfriamiento es de la placa por encima de este límite inferior. El modelo del manto de enfriamiento, que se desarrolló después del modelo de placa, no requiere que la base de la litosfera se mantenga a una temperatura constante y límite. El resultado del modelo del manto de enfriamiento es que se predice que la profundidad del fondo marino es proporcional a la raíz cuadrada de su edad. ^[4]

Modelo de manto de enfriamiento (1974)

En el modelo de semiespacio del manto de enfriamiento desarrollado en 1974, ^[4] la altura del lecho marino (parte superior de la corteza) está determinada por la litosfera oceánica y la temperatura del manto, debido a la expansión térmica. El resultado simple es que la altura de la dorsal o la profundidad del lecho marino es proporcional a la raíz cuadrada de su edad. ^[4] En todos los modelos, la litosfera oceánica se forma continuamente a un ritmo constante en las dorsales oceánicas . La fuente de la litosfera tiene una forma de semiplano ( x = 0, z < 0) y una temperatura constante T ₁ . Debido a su creación continua, la litosfera en x > 0 se aleja de la dorsal a una velocidad constante , que se supone grande en comparación con otras escalas típicas del problema. La temperatura en el límite superior de la litosfera ( z = 0) es una constante T ₀ = 0. Por lo tanto, en x = 0 la temperatura es la función escalonada de Heaviside . Se supone que el sistema está en un estado cuasi-estacionario , de modo que la distribución de temperatura es constante en el tiempo, es decir ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle T_{1}\cdot \Theta (-z)}$ ${\displaystyle T=T(x,z).}$

Sustituyendo los parámetros por sus estimaciones aproximadas en la solución para la altura del fondo del océano : ${\displaystyle h(t)}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\kappa &\sim 8\cdot 10^{-7}\ \mathrm {m} ^{2}\cdot \mathrm {s} ^{-1}&&{\text{for the thermal diffusivity}}\\\alpha &\sim 4\cdot 10^{-5}\ {}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}&&{\text{for the thermal expansion coefficient}}\\T_{1}&\sim 1220\ {}^{\circ }\mathrm {C} &&{\text{for the Atlantic and Indian oceans}}\\T_{1}&\sim 1120\ {}^{\circ }\mathrm {C} &&{\text{for the eastern Pacific}}\end{aligned}}}$

Tenemos: ^[4]

${\displaystyle h(t)\sim {\begin{cases}h_{0}-390{\sqrt {t}}&{\text{for the Atlantic and Indian oceans}}\\h_{0}-350{\sqrt {t}}&{\text{for the eastern Pacific}}\end{cases}}}$

donde la altura está en metros y el tiempo en millones de años. Para obtener la dependencia de x , se debe sustituir t = x / ~ Ax / L , donde L es la distancia entre la dorsal y la plataforma continental (aproximadamente la mitad del ancho del océano) y A es la edad de la cuenca oceánica. ${\displaystyle v}$

En lugar de la altura del fondo del océano por encima de una base o nivel de referencia , lo que interesa es la profundidad del lecho marino , ya que ( medida desde la superficie del océano) podemos determinar que: ${\displaystyle h(t)}$ ${\displaystyle h_{b}}$ ${\displaystyle d(t)}$ ${\displaystyle d(t)+h(t)=h_{b}}$ ${\displaystyle h_{b}}$

${\displaystyle d(t)=h_{b}-h_{0}+350{\sqrt {t}}}$; para el Pacífico oriental, por ejemplo, ¿dónde está la profundidad en la cresta de la dorsal, normalmente 2500 m? ^[9] ${\displaystyle h_{b}-h_{0}}$

Modelo de placa de refrigeración (1977)

La profundidad predicha por la raíz cuadrada de la edad del fondo marino hallada en la derivación del manto de enfriamiento de 1974 ^[4] es demasiado profunda para un fondo marino de más de 80 millones de años. ^[5] La profundidad se explica mejor mediante un modelo de placa de litosfera en enfriamiento que mediante el semiespacio del manto de enfriamiento. ^[5] La placa tiene una temperatura constante en su base y borde de expansión. La derivación del modelo de placa de enfriamiento también comienza con la ecuación de flujo de calor en una dimensión, al igual que el modelo del manto de enfriamiento. La diferencia está en que se requiere un límite térmico en la base de una placa de enfriamiento. El análisis de los datos de profundidad versus edad y profundidad versus raíz cuadrada de la edad permitió a Parsons y Sclater ^[5] estimar los parámetros del modelo (para el Pacífico Norte):

~125 km para el espesor de la litosfera

${\displaystyle T_{1}\thicksim 1350\ {}^{\circ }\mathrm {C} }$En la base y el borde joven de la placa.

${\displaystyle \alpha \thicksim 3.2\cdot 10^{-5}\ {}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}}$

Suponiendo que existe equilibrio isostático en todas partes debajo de la placa de enfriamiento, se obtiene una relación edad-profundidad revisada para fondos marinos más antiguos que es aproximadamente correcta para edades tan jóvenes como 20 millones de años:

${\displaystyle d(t)=6400-3200\exp {\bigl (}-t/62.8{\bigr )}}$metros

Por lo tanto, el fondo marino más antiguo se profundiza más lentamente que el más joven y, de hecho, se puede suponer que es casi constante a una profundidad de ~6400 m. Su modelo de placas también permitió una expresión para el flujo de calor conductivo, q(t) desde el fondo del océano, que es aproximadamente constante más allá de los 120 millones de años: ${\displaystyle 1\cdot 10^{-6}\mathrm {cal} \,\mathrm {cm} ^{-2}\mathrm {sec} ^{-1}}$

${\displaystyle q(t)=11.3/{\sqrt {t}}}$

Parsons y Sclater concluyeron que algún estilo de convección del manto debe aplicar calor a la base de la placa en todas partes para evitar el enfriamiento por debajo de los 125 km y la contracción de la litosfera (profundización del fondo marino) en edades más avanzadas. ^[5] Morgan y Smith ^{[10] [11]} demostraron que el aplanamiento de la profundidad más antigua del fondo marino puede explicarse por el flujo en la astenosfera debajo de la litosfera.

Se continuó estudiando la relación edad-profundidad-flujo de calor con mejoras en los parámetros físicos que definen las placas litosféricas oceánicas. ^{[12] [13] [14]}

Impactos

El método habitual para estimar la edad del fondo marino es a partir de datos de anomalías magnéticas marinas y aplicando la hipótesis de Vine-Matthews-Morley . Otras formas incluyen perforaciones costosas en aguas profundas y datación de material de núcleos. Si se conoce la profundidad en un lugar donde no se han cartografiado anomalías o no hay anomalías, y no se dispone de muestras del fondo marino, conocer la profundidad del fondo marino puede dar lugar a una estimación de la edad utilizando las relaciones edad-profundidad. ^{[4] [5]}

Además, si la tasa de expansión del fondo marino en una cuenca oceánica aumenta, la profundidad media de esa cuenca oceánica disminuye y, por lo tanto, su volumen disminuye (y viceversa). Esto da como resultado un aumento (caída) del nivel eustático global del mar porque la Tierra no se está expandiendo. Dos impulsores principales de la variación del nivel del mar a lo largo del tiempo geológico son los cambios en el volumen del hielo continental en la tierra y los cambios a lo largo del tiempo en la profundidad media de la cuenca oceánica (volumen de la cuenca) en función de su edad media. ^[15]

Véase también

• Nivel del mar
• Curva del nivel del mar
• Ecuación del nivel del mar
• Aumento del nivel del mar

Referencias

1. Dietz, Robert S. (1961). "Evolución de los continentes y las cuencas oceánicas mediante la expansión del fondo marino". Nature . 190 (4779): 854–857. Bibcode :1961Natur.190..854D. doi :10.1038/190854a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4288496.
2. Hess, HH (noviembre de 1962). "Historia de las cuencas oceánicas" (PDF) . En AEJ Engel; Harold L. James; BF Leonard (eds.). Estudios petrológicos: un volumen en honor a AF Buddington . Boulder, CO: Sociedad Geológica de América. págs. 599–620.
3. McKenzie, DP; Sclater, JG (1969-03-01). "Flujo de calor en el Pacífico oriental y expansión del fondo marino". Bulletin Volcanologique . 33 (1): 101–117. Bibcode :1969BVol...33..101M. doi :10.1007/BF02596711. ISSN  1432-0819. S2CID  129021651.
4. Davis, EE; Lister, CRB (1974). "Fundamentos de la topografía de crestas de crestas". Earth and Planetary Science Letters . 21 (4): 405–413. Bibcode :1974E&PSL..21..405D. doi :10.1016/0012-821X(74)90180-0.
5. Parsons, Barry; Sclater, John G. (1977-02-10). "Análisis de la variación de la batimetría del fondo oceánico y del flujo de calor con la edad". Journal of Geophysical Research . 82 (5): 803–827. Bibcode :1977JGR....82..803P. doi :10.1029/jb082i005p00803. ISSN  2156-2202.
6. McKenzie, Dan P. (15 de diciembre de 1967). "Algunas observaciones sobre el flujo de calor y las anomalías de la gravedad". Journal of Geophysical Research . 72 (24): 6261–6273. Bibcode :1967JGR....72.6261M. doi :10.1029/JZ072i024p06261.
7. Sclater, JG; Francheteau, J. (1970-09-01). "Las implicaciones de las observaciones del flujo de calor terrestre en los modelos tectónicos y geoquímicos actuales de la corteza y el manto superior de la Tierra". Geophysical Journal International . 20 (5): 509–542. Bibcode :1970GeoJ...20..509S. doi : 10.1111/j.1365-246X.1970.tb06089.x . ISSN  0956-540X.
8. Sclater, John G.; Anderson, Roger N.; Bell, M. Lee (10 de noviembre de 1971). "Elevación de las dorsales y evolución del Pacífico centro-oriental". Revista de investigación geofísica . 76 (32): 7888–7915. Bibcode :1971JGR....76.7888S. doi :10.1029/jb076i032p07888. ISSN  2156-2202.
9. MacDonald, Ken. "GalAPAGoS: Donde la cordillera se encuentra con el punto caliente". NOAA Ocean Explorer . Consultado el 10 de octubre de 2023 .
10. Morgan, Jason Phipps; Smith, Walter HF (1992). "Aplanamiento de la curva profundidad-edad del fondo marino como respuesta al flujo astenosférico". Nature . 359 (6395): 524–527. Bibcode :1992Natur.359..524M. doi :10.1038/359524a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4326297.
11. Morgan, Jason Phipps; Smith, Walter HF (1994). "Corrección: aplanamiento de la curva profundidad-edad del fondo marino como respuesta al flujo astenosférico". Nature . 371 (6492): 83. doi : 10.1038/371083a0 . ISSN  1476-4687. S2CID  4270220.
12. Stein, Carol A.; Stein, Seth (1992). "Un modelo para la variación global de la profundidad oceánica y el flujo de calor con la edad de la litosfera". Nature . 359 (6391): 123–129. Bibcode :1992Natur.359..123S. doi :10.1038/359123a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4272482.
13. Mckenzie, D; Jackson, J; Priestley, K (15 de mayo de 2005). "Estructura térmica de la litosfera oceánica y continental". Earth and Planetary Science Letters . 233 (3–4): 337–349. doi :10.1016/j.epsl.2005.02.005.
14. Grose, Christopher J. (1 de junio de 2012). "Propiedades de la litosfera oceánica: predicciones revisadas del modelo de enfriamiento de placas". Earth and Planetary Science Letters . 333–334: 250–264. Código Bibliográfico :2012E&PSL.333..250G. doi :10.1016/j.epsl.2012.03.037. ISSN  0012-821X.
15. Miller, Kenneth G. (2009), "Cambio del nivel del mar, últimos 250 millones de años", en Gornitz, Vivien (ed.), Enciclopedia de paleoclimatología y entornos antiguos , Enciclopedia de ciencias de la Tierra, Springer Países Bajos, págs. 879–887, doi :10.1007/978-1-4020-4411-3_206, ISBN 978-1-4020-4551-6

Lectura adicional

McKenzie, Dan (30 de mayo de 2018). "Un geólogo reflexiona sobre una larga carrera". Revista anual de ciencias de la Tierra y planetarias . 46 (1): 1–20. Bibcode :2018AREPS..46....1M. doi : 10.1146/annurev-earth-082517-010111 . ISSN  0084-6597.