El vulcanismo intraplaca es el vulcanismo que tiene lugar lejos de los márgenes de las placas tectónicas . La mayor parte de la actividad volcánica tiene lugar en los márgenes de las placas y existe un amplio consenso entre los geólogos de que esta actividad se explica bien por la teoría de la tectónica de placas . Sin embargo, los orígenes de la actividad volcánica dentro de las placas siguen siendo controvertidos.
Los mecanismos que se han propuesto para explicar el vulcanismo intraplaca incluyen columnas de manto; movimiento no rígido dentro de placas tectónicas (el modelo de placas); y eventos de impacto . Es probable que diferentes mecanismos expliquen diferentes casos de vulcanismo intraplaca. [1]
Una pluma del manto es un mecanismo propuesto de convección de roca anormalmente caliente dentro del manto de la Tierra . 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 Hawaii o Islandia , y grandes provincias ígneas como las trampas de Deccan 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.
La hipótesis de las plumas del manto ha requerido una elaboración progresiva de hipótesis que ha llevado a propuestas variantes, como mini-penachos y plumas pulsantes. [3]
Las plumas del manto fueron propuestas por primera vez por J. Tuzo Wilson en 1963 [4] [ se necesita fuente no primaria ] y desarrolladas posteriormente por W. Jason Morgan en 1971. Se postula que existe una pluma del manto donde se nuclea roca caliente [ se necesita aclaración ] en el límite núcleo-manto y asciende a través del manto terrestre convirtiéndose en un diapiro en la corteza terrestre . [5] En particular, el concepto de que las plumas del manto están fijas entre sí y ancladas en el límite entre el núcleo y el 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. como la cadena de montes submarinos hawaiano-emperador . Sin embargo, los datos paleomagnéticos muestran que las columnas del manto pueden asociarse con grandes provincias de baja velocidad de corte (LLSVP) [6] y se mueven. [7]
Se proponen dos procesos convectivos en gran medida independientes:
La hipótesis del penacho se estudió mediante experimentos de laboratorio realizados en pequeños tanques llenos de líquido a principios de la década de 1970. [8] Los penachos térmicos o de composición dinámica de fluidos producidos de esa manera se presentaron como modelos para los penachos del manto postulados, mucho más grandes. Con base en estos experimentos, ahora se postula que las columnas del manto comprenden dos partes: un conducto largo y delgado que conecta la parte superior de la columna con su base, y una cabeza bulbosa que se expande en tamaño a medida que la columna se eleva. Se considera que toda la estructura se parece a un hongo. La cabeza bulbosa de las columnas térmicas se forma porque el material caliente se mueve hacia arriba a través del conducto más rápido que la propia columna se eleva a través de sus alrededores. A finales de los años 1980 y principios de los 1990, experimentos con modelos térmicos demostraron que a medida que la cabeza bulbosa se expande puede arrastrar parte del manto adyacente hacia la cabeza.
El tamaño y la aparición de las plumas del manto en forma de hongo se pueden predecir fácilmente mediante la teoría de la inestabilidad transitoria desarrollada por Tan y Thorpe. [9] [10] La teoría predice columnas de manto en forma de hongo con cabezas de aproximadamente 2000 km de diámetro que tienen un tiempo crítico [ se necesita aclaración ] de aproximadamente 830 Myr para un flujo de calor del núcleo del manto de 20 mW/m 2 , mientras que el tiempo de ciclo [ se necesita aclaración ] es de aproximadamente 2 Gyr. [11] Se predice que el número de plumas del manto será de unas 17.
Cuando la cabeza de una columna encuentra la base de la litosfera, se espera que se aplane contra esta barrera y sufra una descompresión generalizada que se derrite para formar grandes volúmenes de magma basáltico. Luego puede salir a la superficie. Los modelos numéricos predicen que el derretimiento y la erupción se producirán a lo largo de varios millones de años. [12] Estas erupciones se han relacionado con inundaciones de basaltos , aunque muchas de ellas entran en erupción en escalas de tiempo mucho más cortas (menos de 1 millón de años). Los ejemplos incluyen las trampas de Deccan 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 en el Océano Pacífico occidental y la meseta de Kerguelen en el Océano Índico.
Se considera que el estrecho tubo vertical, o conducto, que conecta la cabeza de la pluma con el límite entre el núcleo y el manto, proporciona un suministro continuo de magma a una ubicación fija, a menudo denominada "punto caliente". A medida que la placa tectónica suprayacente (litosfera) se mueve sobre este punto caliente, se espera que la erupción de magma desde el conducto fijo hacia la superficie forme una cadena de volcanes paralela al movimiento de las placas. [13] La cadena de islas hawaianas en el Océano Pacífico es un ejemplo tipo. Recientemente se ha descubierto que el lugar volcánico de esta cadena no se ha fijado con el tiempo, por lo que se unió al club de muchos ejemplos tipo que no exhiben la característica clave propuesta originalmente. [14]
La erupción de basaltos de inundación continental a menudo se asocia con ruptura y ruptura continental . Esto ha llevado a la hipótesis de que las columnas del manto contribuyen al rift continental y a la formación de cuencas oceánicas. En el contexto del "modelo de placas" alternativo, la ruptura continental es un proceso integral de la tectónica de placas, y el vulcanismo masivo ocurre como consecuencia natural cuando comienza. [15]
La teoría actual de la pluma del manto es que el material y la energía del interior de la Tierra se intercambian con la corteza superficial en dos modos distintos: el régimen tectónico de placas predominante y estable impulsado por la convección del manto superior , y un régimen de vuelco del manto puntuado e intermitentemente dominante impulsado por convección de penacho. [5] Este segundo régimen, aunque a menudo discontinuo, periódicamente es significativo en la formación de montañas [16] y la ruptura continental. [17]
La composición química e isotópica de los basaltos que se encuentran en los puntos críticos difiere sutilmente de los basaltos de las dorsales oceánicas. [19] Estos basaltos, también llamados basaltos de islas oceánicas (OIB), se analizan en sus composiciones radiogénicas y de isótopos estables. En los sistemas de isótopos radiogénicos, el material originalmente subducido crea tendencias divergentes, denominadas componentes del manto. [20] Los componentes del manto identificados son DMM (manto basáltico empobrecido de dorsales en medio del océano (MORB)), HIMU (manto con alta relación U/Pb), EM1 (manto enriquecido 1), EM2 (manto enriquecido 2) y FOZO (zona de enfoque). ). [21] [22] 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 contrapuestas 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 mediante losas en subducción, y que fue transportado de regreso a la superficie mediante columnas. En el contexto de la hipótesis de las Placas, el material subducido en su mayor parte recircula en el manto poco profundo y desde allí es extraído por los volcanes.
Los isótopos estables como el Fe se utilizan para rastrear los procesos que experimenta el material ascendente durante la fusión. [23]
El procesamiento de la corteza oceánica, la litosfera y los sedimentos a través de una zona de subducción desacopla los elementos traza solubles en agua (p. ej., K, Rb, Th) de los elementos traza inmóviles (p. ej., Ti, Nb, Ta), concentrando los elementos inmóviles en la losa oceánica (los elementos solubles en agua se añaden a la corteza en los volcanes de arco de islas). 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 del manto inferior, a unos 1.500 km de profundidad.
Se postula que la fuente de las plumas del manto es el límite entre el núcleo y el manto a 3.000 km de profundidad. [24] 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 (de temperatura). La temperatura del núcleo es aproximadamente 1.000 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 se elevan a través del manto y comienzan a derretirse parcialmente al alcanzar profundidades poco profundas en la astenosfera mediante fusión por descompresión . Esto crearía grandes volúmenes de magma. La hipótesis de la pluma postula que este derretimiento sube a la superficie y entra en erupción para formar "puntos calientes".
El contraste térmico más prominente que se sabe 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 plumas del manto se elevaban desde esta capa porque se pensaba que los "puntos calientes" que se suponía eran su expresión superficial estaban fijos entre sí. Esto requirió que las columnas se originaran debajo de la astenosfera poco profunda que se cree que fluye rápidamente en respuesta al movimiento de las placas tectónicas suprayacentes. No se conoce ninguna 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 del manto suprayacente y puede contener fusión parcial.
Existen dos provincias muy amplias y grandes de baja velocidad de corte en el manto inferior debajo de África y debajo del Pacífico central. Se postula que los penachos se elevan desde su superficie o sus bordes. [26] 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. [27] [28]
Se han citado varias líneas de evidencia en apoyo de las plumas del manto. Existe cierta confusión sobre lo que constituye apoyo, ya que ha habido una tendencia a redefinir las características postuladas de las plumas del manto después de que se han realizado las observaciones. [3]
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 de la cadena de montes submarinos Hawaii-Emperador se ha explicado como resultado de una columna fija y profunda del manto que se eleva hacia el manto superior, se derrite parcialmente y provoca la formación de una cadena volcánica a medida que la placa se mueve sobre su cabeza en relación con el fuente fija de penacho. [24] Otros "puntos calientes" con cadenas volcánicas progresivas detrás de ellas incluyen Reunión , Chagos-Laccadive Ridge , Louisville Ridge , Ninety East Ridge y Kerguelen , Tristan y Yellowstone .
Un aspecto intrínseco de la hipótesis de la pluma es que los "puntos calientes" y sus estelas volcánicas se han fijado entre sí a lo largo del tiempo geológico. Si bien existe evidencia de que las cadenas enumeradas anteriormente son progresivas en el tiempo, se ha demostrado, sin embargo, que no son fijas entre sí. El ejemplo más notable de esto es la cadena Emperador, la parte más antigua del sistema de Hawaii, que se formó por la migración de la actividad volcánica a través de una placa geoestacionaria. [14]
Muchos de los supuestos "puntos calientes" también carecen de rastros volcánicos progresivos en el tiempo, por ejemplo, Islandia, las Galápagos y las Azores. Los desajustes entre las predicciones de la hipótesis y las observaciones se explican comúnmente por procesos auxiliares como "viento del manto", "captura de crestas", "escape de crestas" y flujo lateral de material de penacho.
El helio-3 es un isótopo primordial que se formó en el Big Bang . Se produce muy poco y poco se ha añadido a la Tierra mediante otros procesos desde entonces. [29] 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. Así, la Tierra se ha ido agotando progresivamente en helio, y 3 He no es reemplazado como lo es 4 He. Como resultado, la proporción 3 He/ 4 He en la Tierra ha disminuido con el tiempo.
Se han observado niveles inusualmente altos de 3 He/ 4 He en algunos, pero no en todos, los "puntos calientes". En la teoría de la pluma del manto, esto se explica porque las plumas golpean un depósito profundo y primordial en el manto inferior, donde las altas proporciones originales de 3 He/ 4 He se han conservado a lo largo del tiempo geológico. [30] En el contexto de la hipótesis de la Placa, las altas proporciones se explican por la preservación de material antiguo en el manto poco profundo. Las proporciones antiguas y altas de 3 He/ 4 He se conservarían particularmente fácilmente en materiales que carecían de U o Th, por lo que no se añadió 4 He con el tiempo. La olivina y la dunita , ambas encontradas en corteza subducida, son materiales de este tipo. [29]
Se ha sugerido que otros elementos, por ejemplo el osmio , son trazadores de material que surge cerca del núcleo de la Tierra, en los basaltos de las islas oceánicas. Sin embargo, hasta el momento faltan pruebas concluyentes de ello. [31]
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La hipótesis de la pluma se ha probado buscando las anomalías geofísicas que se predice que están asociadas con ellas. Estos incluyen anomalías térmicas, sísmicas y de elevación. Las anomalías térmicas son inherentes al término "punto caliente". Se pueden medir de muchas maneras diferentes, incluido 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 lo hacen la composición y la fusión parcial. Como resultado, las velocidades de las olas no pueden usarse simple y directamente para medir la temperatura, sino que se deben adoptar enfoques más sofisticados.
Las anomalías sísmicas se identifican mapeando 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 material similar a una temperatura más baja. El material del manto que contiene trazas 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 se ha considerado que velocidades de onda inusualmente bajas indican un manto anormalmente caliente debajo de los "puntos calientes", esta interpretación es ambigua. [3] Las imágenes de la velocidad de las ondas sísmicas más comúnmente citadas y que se utilizan para buscar variaciones en las 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 de la velocidad de las ondas sísmicas en todo el manto. [32]
Las ondas sísmicas generadas por grandes terremotos permiten determinar la estructura debajo de la superficie de la Tierra a lo largo de la trayectoria del rayo. 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 sólo pueden detectarse estructuras de al menos varios cientos de kilómetros de diámetro.
Se han citado imágenes de tomografía sísmica como evidencia de una serie de columnas de manto en el manto de la Tierra. [33] Sin embargo, existe una intensa discusión en curso sobre si las estructuras fotografiadas están resueltas de manera confiable y si corresponden a columnas de roca caliente y ascendente. [34]
La hipótesis de la pluma del manto predice que se desarrollarán levantamientos topográficos domal cuando las cabezas de la pluma choquen con la base de la litosfera. Un levantamiento de este tipo ocurrió cuando el Océano Atlántico norte se abrió hace unos 54 millones de años. Algunos científicos han relacionado esto con una columna del manto que se supone que causó la desintegración de Eurasia y la apertura del Atlántico norte, que ahora se sugiere que se encuentra debajo de Islandia . Sin embargo, las investigaciones actuales han demostrado que la historia temporal del levantamiento es probablemente mucho más corta de lo previsto. Por tanto, no está claro hasta qué punto esta observación apoya la hipótesis de la pluma del manto.
Los basaltos que se encuentran en las islas oceánicas son geoquímicamente distintos de los que se encuentran en las dorsales oceánicas y los volcanes asociados con zonas de subducción (basaltos de arco insular). El " basalto de isla oceánica " también es similar a los basaltos que se encuentran en todos los océanos, tanto en montes submarinos pequeños como grandes (se cree que se formaron por erupciones en el fondo marino que no se elevaron por encima de la superficie del océano). También tienen una composición similar a algunos basaltos que se encuentran en el interior de los continentes (por ejemplo, la llanura del río Snake ).
En los elementos principales, los basaltos de las islas oceánicas suelen tener más contenido de hierro (Fe) y titanio (Ti) que los basaltos de las dorsales oceánicas con contenidos similares de magnesio (Mg). En cuanto a oligoelementos , suelen estar más enriquecidos en elementos ligeros de tierras raras que los basaltos de las dorsales oceánicas. En comparación con los basaltos de arco de islas, los basaltos de islas oceánicas tienen menos contenido de alúmina (Al 2 O 3 ) y más elementos traza inmóviles (p. ej., Ti, Nb , Ta ).
Estas diferencias resultan de procesos que ocurren durante la subducción de la corteza oceánica y el manto litosfera . La corteza oceánica (y en menor medida, el manto subyacente) normalmente se hidrata en diversos grados en el fondo marino, en parte como resultado de la erosión del fondo marino y en parte en respuesta a la circulación hidrotermal cerca de la cresta de la dorsal oceánica donde se encontraba originalmente. formado. A medida que la corteza oceánica y la litosfera subyacente se subducen, se libera agua mediante reacciones de deshidratación, junto con elementos solubles en agua y oligoelementos. Este fluido enriquecido se eleva para metasomatizar la cuña del manto suprayacente y conduce a la formación de basaltos de arco de islas. La losa en subducción está agotada en estos elementos móviles en el agua (p. ej., K , Rb , Th , Pb ) y, por lo tanto, relativamente enriquecida en elementos que no son móviles en el agua (p. ej., Ti, Nb, Ta) en comparación con ambas dorsales en medio del océano. y basaltos de arco de islas.
Los basaltos de las islas oceánicas también están relativamente enriquecidos en elementos inmóviles en relación con los elementos móviles en el agua. Se ha interpretado que esta y otras observaciones indican que la firma geoquímica distintiva de los basaltos de las islas oceánicas resulta de la inclusión de un componente de material de losa subducido. Este debe haber sido reciclado en el manto, luego vuelto a fundir e incorporado a las lavas que estallaron. En el contexto de la hipótesis del penacho, se postula que las losas subducidas han sido subducidas hasta el límite entre el núcleo y el manto y transportadas de regreso a la superficie en penachos ascendentes. En la hipótesis de las placas, se postula que las losas se reciclaron a profundidades menores, en los pocos cientos de kilómetros superiores que componen el manto superior . Sin embargo, la hipótesis de las placas es inconsistente tanto con la geoquímica de los derretimientos de la astenosfera poco profunda (es decir, basaltos de las dorsales oceánicas) como con las composiciones isotópicas de los basaltos de las islas oceánicas.
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. [35] Debido a limitaciones computacionales, los datos de alta frecuencia aún no podían usarse y los datos sísmicos seguían sin estar disponibles de gran parte del fondo marino. [35] No obstante, se visualizaron columnas verticales, 400 C más calientes que la roca circundante, bajo muchos puntos críticos, incluidos los puntos críticos de Pitcairn , Macdonald , Samoa , Tahití , Marquesas , Galápagos , Cabo Verde y Canarias . [36] Se extendieron casi verticalmente desde el límite entre el núcleo y el manto (2900 km de profundidad) hasta una posible capa de cizallamiento y flexión a 1000 km. [35] Eran detectables porque tenían entre 600 y 800 km de ancho, más de tres veces el ancho esperado de los modelos contemporáneos. [35] Muchas de estas columnas se encuentran en las grandes provincias de baja velocidad de corte bajo África y el Pacífico, mientras que algunos otros puntos críticos, como Yellowstone, estaban menos claramente relacionados con las características del manto en el modelo. [37]
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 a la superficie, y significa que el manto inferior convecta menos de lo esperado, en todo caso. Es posible que exista una diferencia de composición entre las plumas y el manto circundante que las ralentice y las ensanche. [35]
Se ha sugerido que muchas localidades diferentes están sustentadas por columnas de manto, y los científicos no pueden ponerse de acuerdo sobre una lista definitiva. Algunos científicos sugieren que existen varias decenas de columnas, [38] mientras que otros sugieren que no hay ninguna. [3] La teoría realmente se inspiró en el sistema volcánico hawaiano. Hawaii es un gran edificio volcánico en el centro del Océano Pacífico, lejos de cualquier límite de placas. Su cadena regular y progresiva de islas y montes submarinos se ajusta superficialmente bien a la teoría de la pluma. Sin embargo, es casi único en la Tierra, ya que no existe nada tan extremo en ningún otro lugar. El segundo candidato más fuerte para la ubicación de una pluma es a menudo citado como Islandia, pero según los oponentes a la hipótesis de la pluma su naturaleza masiva puede explicarse por las fuerzas de placas tectónicas a lo largo del centro de expansión del Atlántico medio.
Se ha sugerido que las plumas del manto son la fuente de basaltos de inundación . [39] [40] Estas erupciones extremadamente rápidas y a gran escala de magmas basálticos han formado periódicamente provincias de basalto de inundación continental en tierra y mesetas oceánicas en las cuencas oceánicas, como las trampas de Deccan , [41] las trampas de Siberia [42] el Karoo -Basaltos de inundación de Ferrar de Gondwana , [43] y el basalto de inundación continental más grande conocido, la provincia magmática del Atlántico central (CAMP). [44]
Muchos eventos de inundación continental de basalto coinciden con el rifting continental. [45] Esto es consistente con un sistema que tiende hacia el equilibrio: a medida que la materia se eleva en una columna del manto, otro material es atraído hacia el manto, causando rupturas. [45]
La hipótesis de las columnas de manto procedentes de las profundidades no se acepta universalmente como explicación de todo ese vulcanismo. Ha requerido una elaboración progresiva de hipótesis que ha llevado a propuestas variantes, como mini-penachos y penachos pulsantes. Otra hipótesis para regiones volcánicas inusuales es la teoría de las placas . Esto propone una fuga pasiva y menos profunda de magma desde el manto hacia la superficie de la Tierra donde la extensión de la litosfera lo permite, atribuyendo la mayor parte del vulcanismo a procesos tectónicos de placas, con volcanes alejados de los límites de las placas como resultado de la extensión intraplaca. [3]
La teoría de las placas atribuye toda la actividad volcánica de la Tierra, incluso la que superficialmente parece anómala, al funcionamiento de la tectónica de placas . Según la teoría de las placas, la principal causa del vulcanismo es la extensión de la litosfera . La extensión de la litosfera es función del campo de tensiones litosféricas . La distribución global de la actividad volcánica en un momento dado refleja el campo de tensión litosférico contemporáneo, y los cambios en la distribución espacial y temporal de los volcanes reflejan cambios en el campo de tensión. Los principales factores que rigen la evolución del campo de tensiones son:
A principios de la década de 2000, 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. basado en procesos superficiales en el manto superior y por encima, con énfasis en la tectónica de placas como fuerza impulsora del magmatismo. [47]
La hipótesis de las placas sugiere que el vulcanismo "anómalo" resulta de la extensión litosférica que permite que el derretimiento se eleve pasivamente desde la astenosfera subyacente. Por lo tanto, es la inversa conceptual de la hipótesis de la pluma porque la hipótesis de las placas atribuye el vulcanismo a procesos superficiales cercanos a la superficie asociados con la tectónica de placas, en lugar de 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 se comprenden bien en las dorsales oceánicas, donde ocurre la mayor parte del vulcanismo de la Tierra. Se reconoce con menos frecuencia 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 Basin and Range en el oeste de EE. UU., el valle del Rift de África Oriental y el Rin Graben . 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) más que a diferencias de temperatura.
Si bien no niega la presencia de convección profunda del manto y de surgencias en general, la hipótesis de las placas sostiene que estos procesos no dan lugar a penachos del manto, en el sentido de características verticales columnares que abarcan la mayor parte del manto de la Tierra, transportan grandes cantidades de calor y contribuyen al vulcanismo superficial. [3] : 277
Bajo el paraguas de la hipótesis de las placas, se reconocen los siguientes subprocesos, todos los cuales pueden contribuir a permitir el vulcanismo en la superficie: [3]
La extensión litosférica permite que el material fundido preexistente en la corteza y el manto escape a la superficie. Si la extensión es severa y adelgaza la litosfera hasta el punto de que la astenosfera se eleva, entonces se produce derretimiento adicional por surgencias de descompresión .
Una virtud importante de la teoría de las placas es que extiende la tectónica de placas a una explicación unificadora del vulcanismo de la Tierra que prescinde de la necesidad de invocar hipótesis superfluas diseñadas para dar cabida a casos de actividad volcánica que superficialmente parecen excepcionales. [46] [48] [49] [50] [51]
Desarrollada a finales de los años 1960 y 1970, la tectónica de placas proporcionó una explicación elegante para la mayor parte de la actividad volcánica de la Tierra. En los límites en expansión donde las placas se separan, la astenosfera se descomprime y se funde para formar una nueva corteza oceánica . En las zonas de subducción , losas de corteza oceánica se hunden en el manto, se deshidratan y liberan volátiles que reducen la temperatura de fusión y dan lugar a arcos volcánicos y extensiones de arcos posteriores . Sin embargo, varias provincias volcánicas no encajan en este cuadro simple y tradicionalmente se han considerado casos excepcionales que requieren una explicación no tectónica de placas.
Justo antes del desarrollo de la tectónica de placas a principios de la década de 1960, el geofísico canadiense John Tuzo Wilson sugirió que las cadenas de islas volcánicas se forman a partir del movimiento del fondo marino sobre puntos calientes relativamente estacionarios en centros estables de células de convección del manto . [52] A principios de la década de 1970, la idea de Wilson fue revivida por el geofísico estadounidense W. Jason Morgan . Para tener en cuenta el suministro de magma de larga duración que algunas regiones volcánicas parecían requerir, Morgan modificó la hipótesis, desplazando la fuente a una capa límite térmica . Debido a la fijeza percibida de algunas fuentes volcánicas en relación con las placas, propuso que este límite térmico era más profundo que el manto superior convectivo sobre el que se desplazan las placas y lo ubicó en el límite núcleo-manto , a 3.000 km bajo la superficie. Sugirió que estrechas corrientes de convección se elevan desde puntos fijos en este límite térmico y forman conductos que transportan material anormalmente caliente a la superficie. [53] [54]
Esta, la teoría de la pluma del manto , se convirtió en la explicación dominante de las aparentes anomalías volcánicas durante el resto del siglo XX. [55] [56] Sin embargo, probar la hipótesis está plagado de dificultades. Un principio central de la teoría de la pluma es que la fuente de fusión es significativamente más caliente que el manto circundante, por lo que la prueba más directa es medir la temperatura de la fuente de magmas. Esto es difícil ya que la petrogénesis de los magmas es extremadamente compleja, lo que hace que las inferencias de la petrología o la geoquímica sobre las temperaturas de la fuente no sean confiables. [57] Los datos sísmicos utilizados para proporcionar restricciones adicionales sobre las temperaturas de la fuente son muy ambiguos. [58] Además de esto, varias predicciones de la teoría de la pluma han resultado infructuosas en muchos lugares supuestamente sustentados por plumas del manto, [59] [57] y también existen importantes razones teóricas para dudar de la hipótesis. [60] [61]
Las cuestiones anteriores han inspirado a un número creciente de geocientíficos, encabezados por el geofísico estadounidense Don L. Anderson y la geofísica británica Gillian R. Foulger , a buscar otras explicaciones de la actividad volcánica que no se pueden explicar fácilmente mediante la tectónica de placas. En lugar de introducir otra teoría extraña, estas explicaciones esencialmente amplían el alcance de la tectónica de placas de maneras que pueden acomodar la actividad volcánica que antes se pensaba que estaba fuera de su competencia. La modificación clave del modelo tectónico de placas básico aquí es una relajación del supuesto de que las placas son rígidas. Esto implica que la extensión litosférica ocurre no sólo en los límites de las placas en expansión sino en todo el interior de las placas, un fenómeno que está bien respaldado tanto teórica como empíricamente. [49] [50]
Durante las últimas dos décadas, la teoría de las placas se ha convertido en un programa de investigación cohesivo, que ha atraído a muchos adeptos y ha ocupado a investigadores de varias subdisciplinas de las ciencias de la Tierra . También ha sido el foco de varias conferencias internacionales y muchos artículos revisados por pares y es el tema de dos importantes volúmenes editados por la Sociedad Geológica de América [62] [63] y un libro de texto. [57]
Desde 2003, la discusión y el desarrollo de la teoría de las placas han sido fomentados por el sitio web mantleplumes.org, alojado en la Universidad de Durham (Reino Unido), un importante foro internacional con contribuciones de geocientíficos que trabajan en una amplia variedad de especialidades.
La extensión litosférica a escala global es una consecuencia necesaria del no cierre de los circuitos de movimiento de las placas y equivale a un límite adicional de expansión lenta. La extensión resulta principalmente de los tres procesos siguientes.
La extensión resultante de estos procesos se manifiesta en una variedad de estructuras que incluyen zonas de rift continental (p. ej., el Rift de África Oriental ), límites difusos de placas oceánicas (p. ej., Islandia ), [64] [65] regiones extensionales del arco posterior continental (p. ej., el Provincia de cuenca y cordillera en el oeste de Estados Unidos ), cuencas de arco posterior oceánico (por ejemplo, la cuenca de Manus en el mar de Bismarck frente a Papua Nueva Guinea ), regiones de antearco (por ejemplo, el Pacífico occidental), [66] y regiones continentales experimentando delaminación litosférica (p. ej., Nueva Zelanda ). [67]
La desintegración continental comienza con una ruptura. Cuando la extensión es persistente y totalmente compensada por el magma procedente del afloramiento astenosférico, se forma la corteza oceánica y la grieta se convierte en un límite de placa en expansión. Si la extensión es aislada y efímera se clasifica como intraplaca. El rifting puede ocurrir tanto en la corteza oceánica como en la continental y varía desde cantidades menores hasta cantidades cercanas a las que se observan en los límites de expansión. Todo puede dar lugar al magmatismo. [51]
En el Atlántico nororiental se observan varios estilos extensionales. La ruptura continental comenzó a finales del Paleozoico y fue seguida por una desestabilización catastrófica a finales del Cretácico y principios del Paleoceno . Esto último posiblemente se debió al retroceso de la losa alpina, que generó su extensión por toda Europa. Se produjeron rupturas más graves a lo largo de la sutura de Caledonia, una zona de debilidad preexistente donde el océano Jápeto se cerró alrededor de 420 Ma . A medida que la extensión se fue localizando, la corteza oceánica comenzó a formarse alrededor de 54 Ma, persistiendo una extensión difusa alrededor de Islandia. [68]
Algunas fisuras intracontinentales son esencialmente ejes de ruptura continental fallidos, y algunas de ellas forman uniones triples con límites de placas. El Rift de África Oriental, por ejemplo, forma una triple unión con el Mar Rojo y el Golfo de Adén , los cuales han progresado hasta la etapa de expansión del fondo marino. Asimismo, el Rift Mid-American constituye dos brazos de una triple unión junto con un tercero que separó el Cratón Amazónico de Laurentia alrededor del 1,1 Ga . [69]
En todo el oeste de los Estados Unidos se han producido diversas actividades volcánicas resultantes de la extensión litosférica. Los volcanes en cascada son una cadena volcánica de arco posterior que se extiende desde la Columbia Británica hasta el norte de California . La extensión del arco posterior continúa hacia el este en la Provincia de Cuenca y Cordillera , con vulcanismo de pequeña escala distribuido por toda la región.
La Placa del Pacífico es la placa tectónica más grande de la Tierra y cubre aproximadamente un tercio de la superficie terrestre. Sufre una considerable extensión y deformación por cizallamiento debido a la contracción térmica de la litosfera. La deformación por corte es mayor en el área entre Samoa y la Microplaca de Pascua , [70] un área repleta de provincias volcánicas como la cadena Cook - Austral , las Islas Marquesas y Sociedad , el Archipiélago Tuamotu , las crestas Fuca y Pukapuka y la Isla Pitcairn .
El volumen de magma que intruye y/o hace erupción en un área determinada de extensión litosférica depende de dos variables: (1) la disponibilidad de material fundido preexistente en la corteza y el manto; y (2) la cantidad de masa fundida adicional suministrada por el afloramiento de descompresión. Esto último depende de tres factores: (a) espesor litosférico; (b) el monto de la extensión; y (c) fusibilidad y temperatura de la fuente.
Hay abundante derretimiento preexistente tanto en la corteza como en el manto. En la corteza terrestre, el derretimiento se almacena bajo volcanes activos en depósitos poco profundos que son alimentados por otros más profundos. En la astenosfera, se cree que una pequeña cantidad de fusión parcial proporciona una capa débil que actúa como lubricante para el movimiento de las placas tectónicas. La presencia de derretimiento preexistente significa que el magmatismo puede ocurrir incluso en áreas donde la extensión litosférica es modesta, como las líneas volcánicas de Camerún y Pitcairn - Gambier . [51]
La tasa de formación de magma a partir de la descompresión de la astenosfera depende de qué tan alto puede elevarse la astenosfera, que a su vez depende del espesor de la litosfera. A partir de modelos numéricos es evidente que la formación de fusión en los basaltos de inundación más grandes no puede ser simultánea con su emplazamiento. [71] Esto significa que el derretimiento se forma durante un período más largo, se almacena en reservorios, muy probablemente ubicados en el límite entre la litosfera y la astenosfera , y se libera por extensión litosférica. Que grandes volúmenes de magma se almacenan en la base de la litosfera se evidencia en observaciones de grandes provincias magmáticas como el Gran Dique en Zimbabwe y el Complejo Ígneo de Bushveld en Sudáfrica . Allí, la espesa litosfera permaneció intacta durante el magmatismo de gran volumen, por lo que se puede descartar un afloramiento por descompresión en la escala requerida, lo que implica que debieron haber preexistido grandes volúmenes de magma. [72]
Si la extensión es severa y resulta en un adelgazamiento significativo de la litosfera, la astenosfera puede elevarse a profundidades poco profundas, induciendo el derretimiento por descompresión y produciendo mayores volúmenes de derretimiento. En las dorsales oceánicas, donde la litosfera es delgada, el afloramiento por descompresión produce una tasa modesta de magmatismo. El mismo proceso también puede producir magmatismo de pequeño volumen en o cerca de fisuras continentales que se extienden lentamente. Debajo de los continentes, la litosfera tiene un espesor de hasta 200 km. Si la litosfera de este espesor sufre una extensión severa y persistente, puede romperse y la astenosfera puede ascender a la superficie, produciendo decenas de millones de kilómetros cúbicos de material fundido a lo largo de ejes de cientos de kilómetros de largo. Esto ocurrió, por ejemplo, durante la apertura del Océano Atlántico Norte, cuando la astenosfera se elevó desde la base de la litosfera de Pangea hasta la superficie. [51]
La gran mayoría de las provincias volcánicas que se consideran anómalas en el contexto de la tectónica de placas rígidas ahora se han explicado utilizando la teoría de las placas. [63] [62] Los ejemplos tipo de este tipo de actividad volcánica son Islandia , Yellowstone y Hawaii . Islandia es el ejemplo típico de una anomalía volcánica situada en el límite de una placa. Yellowstone, junto con la llanura oriental del río Snake al oeste, es el ejemplo típico de una anomalía volcánica intracontinental. Hawái, junto con la cadena de montes submarinos relacionada con el Emperador Hawaiano , es el ejemplo típico de una anomalía volcánica intraoceánica. [57]
Islandia es un escudo basáltico de 1 km de altura y 450x300 km en la dorsal oceánica en el noreste del Océano Atlántico. Comprende más de 100 volcanes activos o extintos y ha sido estudiado exhaustivamente por científicos de la Tierra durante varias décadas.
Islandia debe entenderse en el contexto de la estructura más amplia y la historia tectónica del Atlántico nororiental . El Atlántico noreste se formó a principios del Cenozoico cuando, después de un extenso período de ruptura, Groenlandia se separó de Eurasia cuando Pangea comenzó a fragmentarse. Al norte de la ubicación actual de Islandia, el eje de ruptura se propagó hacia el sur a lo largo de la Sutura de Caledonia. Hacia el sur, el eje de ruptura se propagó hacia el norte. Los dos ejes estaban separados por unos 100 km de este a oeste y 300 km de norte a sur. Cuando los dos ejes se desarrollaron hasta extenderse por completo el fondo marino, la región continental de 100x300 km entre las dos fisuras formó el microcontinente islandés que experimentó una extensión difusa y un corte a lo largo de varios ejes de fisuras orientados al norte, y se emplazaron lavas basálticas dentro y sobre la corteza continental estirada. Este estilo de extensión persiste a través de zonas de rift paralelas que frecuentemente se extinguen y son reemplazadas por otras nuevas. [sesenta y cinco]
Este modelo explica varias características distintas de la región:
Yellowstone y la llanura oriental del río Snake al oeste comprenden un cinturón de grandes volcanes de caldera silícica que se vuelven progresivamente más jóvenes hacia el este, culminando en la caldera de Yellowstone actualmente activa en el noroeste de Wyoming . El cinturón, sin embargo, está cubierto de lavas basálticas que no muestran progresión temporal. Al estar ubicado en un interior continental, ha sido ampliamente estudiado, aunque la investigación ha consistido principalmente en sismología y geoquímica destinadas a localizar fuentes en lo profundo del manto. Estos métodos no son adecuados para desarrollar una teoría de placas, que sostiene que el vulcanismo está asociado con procesos a poca profundidad.
Al igual que en Islandia, el vulcanismo en la región de Yellowstone y la llanura oriental del río Snake debe entenderse en su contexto tectónico más amplio. La historia tectónica del oeste de los Estados Unidos está fuertemente influenciada por la subducción de la elevación del Pacífico Oriental bajo la Placa de América del Norte que comenzó alrededor de 17 Ma. Un cambio en el límite de la placa de subducción a extensión inducida por cizallamiento a través del oeste de Estados Unidos. Esto provocó un vulcanismo generalizado, comenzando con el grupo de basalto del río Columbia , que hizo erupción a través de una zona de diques de 250 kilómetros de largo que ensanchó la corteza en varios kilómetros. La provincia de Cuenca y Cordillera se formó luego a través de fallas normales, produciendo vulcanismo disperso con erupciones especialmente abundantes en tres zonas este-oeste: las zonas volcánicas de Yellowstone-Eastern Snake River Plain, Valles y St. George. En comparación con las demás, la zona de la llanura de Yellowstone y el este del río Snake se considera inusual debido a su cadena de volcanes silícicos de progresión temporal y sus sorprendentes características geotérmicas.
La composición silícica de los volcanes indica una fuente de corteza inferior. Si el vulcanismo fue el resultado de la extensión litosférica, entonces la extensión a lo largo de la zona de la llanura de Yellowstone y el este del río Snake debe haber migrado de oeste a este durante los últimos 17 millones de años. [74] Hay pruebas de que este es el caso. El movimiento acelerado en fallas normales cercanas, que indica extensión en la provincia de Cuenca y Cordillera, migra hacia el este coincidiendo con la migración del vulcanismo silícico. Esto se corrobora con mediciones de deformación recientes procedentes de levantamientos GPS, que encuentran las zonas de extensión más intensas en la provincia de Basin and Range en el lejano oriente y el lejano oeste y poca extensión en los 500 km centrales. [75] Por lo tanto, la zona de la llanura del río Yellowstone-Este del Snake probablemente refleja un lugar de extensión que ha migrado de oeste a este. [74] Esto está respaldado además por magmatismo silícico impulsado por extensión análogo en otras partes del oeste de los Estados Unidos, por ejemplo en Coso Hot Springs [76] y Long Valley Caldera [77] en California.
Que el vulcanismo basáltico persistente resulta de la extensión simultánea a lo largo de toda la zona de la llanura de Yellowstone-Eastern Snake River es evidente en las mediciones GPS registradas entre 1987 y 2003, que registran la extensión tanto al norte como al sur de la zona. [78] Se puede encontrar evidencia de extensión histórica en las zonas de rift alimentadas por diques orientadas al noroeste responsables de los flujos de basalto. [79] La analogía con una actividad volcánica similar en Islandia y en las dorsales oceánicas indica que los períodos de extensión son breves y, por lo tanto, que el vulcanismo basáltico a lo largo de la zona de Yellowstone-Eastern Snake River Plain ocurre en breves ráfagas de actividad entre largos períodos inactivos. [73]
El sistema volcánico Hawaii-Emperor es muy difícil de estudiar. Se encuentra a miles de kilómetros de cualquier masa continental importante y está rodeado por un océano profundo, muy poco está sobre el nivel del mar y está cubierto de un espeso basalto que oscurece su estructura más profunda. Está situada dentro de la Zona de Quietud Magnética del Cretácico , un período relativamente largo de polaridad normal en el campo magnético de la Tierra , por lo que las variaciones de edad en la litosfera son difíciles de determinar con precisión. Reconstruir la historia tectónica del Océano Pacífico en términos más generales es problemático porque placas anteriores y límites de placas, incluida la cresta en expansión donde comenzó la cadena Emperador, han sido subducidos. Debido a estos problemas, los geocientíficos aún deben producir una teoría completamente desarrollada sobre los orígenes del sistema que pueda ser probada positivamente.
Las observaciones que deben tenerse en cuenta en cualquier teoría de este tipo incluyen:
La falta de anomalías en el flujo de calor regional detectadas alrededor de las islas y montes submarinos extintos indica que los volcanes son características térmicas locales. [82] Según la teoría de las placas, el sistema Hawaiano-Emperador se formó en una región de extensión en la Placa del Pacífico. La extensión de la placa es consecuencia de la deformación en los límites de la placa, la contracción térmica y el ajuste isostático. La extensión se originó en una cresta en expansión alrededor de 80 Ma. El campo de tensión de la placa evolucionó durante los siguientes 30 millones de años, provocando que la región de extensión y el consiguiente vulcanismo migraran al sur-sureste. Alrededor de 50 Ma, el campo de tensión se estabilizó y la región de extensión se volvió casi estacionaria. Al mismo tiempo, el movimiento hacia el noroeste de la placa del Pacífico aumentó y, durante los siguientes 50 millones de años, la cadena hawaiana se formó a medida que la placa se movía a través de una región de extensión casi estacionaria. [51]
La creciente tasa de actividad volcánica en el sistema Emperador-Hawaiano refleja la disponibilidad de material fundido en la corteza y el manto. Los volcanes más antiguos de la cadena Emperador se formaron en una litosfera oceánica joven y, por tanto, delgada. El tamaño de los montes submarinos aumenta con la edad del fondo marino, lo que indica que la disponibilidad de material fundido aumenta con el espesor de la litosfera. Esto sugiere que el derretimiento por descompresión puede contribuir, ya que también se espera que aumente con el espesor de la litosfera. El aumento significativo del magmatismo durante los últimos 2 millones de años indica un aumento importante en la disponibilidad de material fundido, lo que implica que se ha vuelto disponible una reserva más grande de material fundido preexistente o una región fuente excepcionalmente fusible. La evidencia petrológica y geoquímica sugiere que esta fuente puede ser una antigua corteza oceánica metamorfoseada en la astenosfera, material altamente fusible que produciría volúmenes de magma mucho mayores que las rocas del manto. [83] [84]
Además de estos procesos, se sabe que eventos de impacto como los que crearon el cráter Addams en Venus y el Complejo Ígneo de Sudbury en Canadá causaron 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 cuerpos grandes que son capaces de penetrar la litosfera oceánica más delgada , y el vulcanismo de inundación de basalto puede ser desencadenado por energía sísmica convergente enfocada en el punto antípoda. frente a los principales sitios de impacto. [85] El vulcanismo inducido por impactos no se ha estudiado adecuadamente y comprende una categoría causal separada de vulcanismo terrestre con implicaciones para el estudio de los puntos críticos y la tectónica de placas.
En 1997 fue posible utilizar la tomografía sísmica para obtener imágenes de losas tectónicas sumergidas que penetraban desde la superficie hasta el límite entre el núcleo y el manto. [86]
Para el punto crítico de Hawái , la tomografía por difracción de ondas corporales sísmicas de período largo proporcionó evidencia de que una pluma del manto es responsable, como se había propuesto ya en 1971. [87] Para el punto crítico de Yellowstone , la evidencia sismológica comenzó a converger a partir de 2011 en apoyo de la modelo de pluma, como concluyeron James et al., "favorecemos una pluma del manto inferior como origen del punto caliente de Yellowstone". [88] [89] Los datos adquiridos a través de Earthscope , un programa que recopila datos sísmicos de alta resolución en los Estados Unidos contiguos, han acelerado la aceptación de una columna de humo subyacente a Yellowstone. [90] [91]
Aunque hay pruebas contundentes [ se necesita aclaración ] de que al menos dos columnas profundas del manto [ ¿cuáles? ] se eleva hasta 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.
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