Las grandes provincias de baja velocidad de corte ( LLSVP ), también llamadas grandes provincias de baja velocidad ( LLVP ) o superplumas , son estructuras características de partes del manto inferior , la región que rodea el núcleo externo en las profundidades de la Tierra. [2] Estas provincias se caracterizan por velocidades de ondas de corte lentas y fueron descubiertas por tomografía sísmica de la Tierra profunda. Hay dos provincias principales: la LLSVP africana y la LLSVP del Pacífico , ambas se extienden lateralmente por miles de kilómetros y posiblemente hasta 1000 kilómetros verticalmente desde el límite núcleo-manto . Estas han sido bautizadas como Tuzo y Jason respectivamente, en honor a Tuzo Wilson y W. Jason Morgan , dos geólogos aclamados en el campo de la tectónica de placas. [3] La LLSVP del Pacífico tiene 3000 kilómetros (1900 millas) de ancho y se encuentra debajo de cuatro puntos calientes en la corteza terrestre que sugieren múltiples penachos del manto debajo. [4] Estas zonas representan alrededor del 8% del volumen del manto, o el 6% de toda la Tierra. [1]
Otros nombres para los LLSVP y sus superestructuras incluyen superoleajes , superplumas, pilas termoquímicas o depósitos ocultos, que en su mayoría describen sus efectos geodinámicos o geoquímicos propuestos . Por ejemplo, el nombre "pila termoquímica" interpreta a los LLSVP como pilas del manto inferior de material térmicamente caliente y/o químicamente distinto. Los LLSVP aún son relativamente misteriosos y quedan muchas preguntas sobre su naturaleza, origen y efectos geodinámicos. [5]
Directamente sobre el límite entre el núcleo y el manto hay una capa de 200 kilómetros (120 millas) de espesor del manto inferior. Esta capa se conoce como D″ ("D double-prime" o "D prime prime") o estructura de grado dos. [6] Se descubrieron LLSVP en modelos tomográficos sísmicos de velocidad de corte del manto completo como características lentas en la capa D″ debajo de África y el Pacífico. [7] Los armónicos esféricos globales de la capa D″ son estables en la mayor parte del manto, pero aparecen anomalías a lo largo de los dos LLSVP. Al usar velocidades de ondas de corte, se pueden verificar las ubicaciones de los LLSVP y surge un patrón estable para la convección del manto . Esta configuración estable es responsable de la geometría de los movimientos de las placas en la superficie. [8]
Las LLSVP se encuentran alrededor del ecuador, pero principalmente en el hemisferio sur. Los modelos de tomografía global dan como resultado inherentemente características suaves; sin embargo, el modelado de formas de onda locales de ondas corporales ha demostrado que las LLSVP tienen límites definidos. [9] La nitidez de los límites hace que sea difícil explicar las características solo por la temperatura; las LLSVP deben ser compositivamente distintas para explicar el salto de velocidad. Se han descubierto zonas de velocidad ultrabaja a escalas más pequeñas principalmente en los bordes de estas LLSVP. [10]
Utilizando la marea terrestre sólida , se ha determinado la densidad de estas regiones. Los dos tercios inferiores son un 0,5% más densos que la mayor parte del manto. Sin embargo, la tomografía de mareas no puede determinar cómo se distribuye el exceso de masa; la mayor densidad puede deberse a material primordial o placas oceánicas subducidas . [11] La LLSVP africana puede ser una causa potencial de la Anomalía del Atlántico Sur . [12]
Se han propuesto varias hipótesis para el origen y la persistencia de las LLSVP, dependiendo de si las provincias representan discordancias puramente térmicas (es decir, son de naturaleza isoquímica, de la misma composición química que el manto circundante) o representan también discordancias químicas (es decir, son de naturaleza termoquímica , de composición química diferente a la del manto circundante). Si las LLSVP representan discordancias puramente térmicas, entonces pueden haberse formado como grandes penachos de manto caliente y ascendente. Sin embargo, los estudios geodinámicos predicen que el afloramiento isoquímico de un material más caliente y de menor viscosidad debería producir penachos largos y estrechos, [13] a diferencia de los penachos grandes y anchos observados en las LLSVP. Sin embargo, es importante recordar que la resolución de los modelos geodinámicos y las imágenes sísmicas del manto de la Tierra son muy diferentes. [14]
La hipótesis principal actual para las LLSVP es la acumulación de placas oceánicas subducidas. Esto se corresponde con las ubicaciones de los cementerios de placas conocidos que rodean la LLSVP del Pacífico. Se cree que estos cementerios son la razón de las anomalías de la zona de alta velocidad que rodean la LLSVP del Pacífico y se cree que se formaron por zonas de subducción que existían mucho antes de la dispersión (hace unos 750 millones de años) del supercontinente Rodinia . Con la ayuda de la transformación de fase , la temperatura fundiría parcialmente las placas para formar un denso fundido que se acumula y forma las estructuras de la zona de velocidad ultrabaja en la parte inferior del límite núcleo-manto más cerca de la LLSVP que los cementerios de placas. El resto del material luego es transportado hacia arriba a través de la flotabilidad inducida por sustancias químicas y contribuye a los altos niveles de basalto que se encuentran en la dorsal oceánica . El movimiento resultante forma pequeños grupos de pequeñas columnas justo encima del límite núcleo-manto que se combinan para formar columnas más grandes y luego contribuyen a las supercolumnas. En este escenario, las LLSVP del Pacífico y África se crearon originalmente por una descarga de calor desde el núcleo (4000 K) al manto mucho más frío (2000 K); la litosfera reciclada es el combustible que ayuda a impulsar la convección de la superpluma. Dado que sería difícil para el núcleo de la Tierra mantener este calor elevado por sí solo, esto respalda la existencia de nucleidos radiogénicos en el núcleo, así como la indicación de que si la litosfera subducida fértil deja de subducirse en lugares preferibles para el consumo de la superpluma, marcará la desaparición de esa superpluma. [4]
Otro origen propuesto para las LLSVP es que su formación está relacionada con la hipótesis del impacto gigante , que afirma que la Luna se formó después de que la Tierra colisionara con un cuerpo del tamaño de un planeta llamado Theia . [15] La hipótesis sugiere que las LLSVP pueden representar fragmentos del manto de Theia que se hundieron hasta el límite entre el núcleo y el manto de la Tierra. [15] La mayor densidad de los fragmentos del manto se debe a su enriquecimiento en óxido de hierro (II) con respecto al resto del manto de la Tierra. Esta mayor composición de óxido de hierro (II) también sería consistente con la geoquímica isotópica de las muestras lunares, así como con la de los basaltos de las islas oceánicas que recubren las LLSVP. [16] [17]
Los modelos geodinámicos de convección del manto han incluido material distintivo en su composición. El material tiende a ser arrastrado en crestas o pilas. [10] Al incluir movimientos de placas pasados realistas en el modelado, el material es arrastrado en ubicaciones que son notablemente similares a la ubicación actual de las placas de convección de lechos rocosos. [18] Estas ubicaciones también se corresponden con las ubicaciones conocidas de cementerios de placas.
Estos tipos de modelos, así como la observación de que la estructura D″ de los LLSVP es ortogonal a la trayectoria del verdadero desplazamiento polar , sugieren que estas estructuras del manto han sido estables durante grandes cantidades de tiempo. Esta relación geométrica es consistente con la posición de Pangea y la formación del patrón geoidal actual debido a la ruptura continental a partir del superswell de abajo. [8]
Sin embargo, el calor del núcleo no es suficiente para sostener la energía necesaria para alimentar las superplumas ubicadas en los LLSVP. Hay una transición de fase de perovskita a post-perovskita desde las placas descendentes que causa una reacción exotérmica . Esta reacción exotérmica ayuda a calentar el LLSVP, pero no es suficiente para explicar la energía total necesaria para sostenerlo. Por lo tanto, se plantea la hipótesis de que el material del cementerio de placas puede volverse extremadamente denso y formar grandes charcos de concentrado de fusión enriquecido en uranio , torio y potasio . Se cree que estos elementos radiogénicos concentrados proporcionan las altas temperaturas necesarias. Por lo tanto, la aparición y desaparición de los cementerios de placas predice el nacimiento y la muerte de un LLSVP, cambiando potencialmente la dinámica de toda la tectónica de placas. [4]