Penacho del manto

Una penacho de manto es un mecanismo propuesto de convección dentro del manto de la Tierra, que se supone explica el vulcanismo anómalo. 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.

Conceptos

Las plumas del manto fueron propuestas por primera vez por J. Tuzo Wilson en 1963 y desarrolladas posteriormente por W. Jason Morgan en 1971 y 1972. Se postula que existe una pluma del manto donde se forma (nuclea) material sobrecalentado en el límite entre el núcleo y el 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. Al llegar a la frágil corteza superior de la Tierra, forman diapiros. Estos diapiros son "puntos críticos" en la corteza. 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, por ejemplo, el hawaiano- Cadena de montes submarinos Emperador. Sin embargo, los datos paleomagnéticos muestran que las plumas del manto también pueden estar asociadas con grandes provincias de baja velocidad de corte (LLSVP) y se mueven entre sí.

The current mantle plume theory is that material and energy from Earth 's interior are exchanged with the surface crust in two distinct and largely independent convective flows:

• como previamente teorizado y ampliamente aceptado, el régimen tectónico de placas estatales predominante y estable impulsado por la convección de manto superior, principalmente el hundimiento de placas frías de la litosfera de vuelta a la astenosfera.
• el régimen puntuado e intermitentemente dominante de recesión de manto impulsado por la convección de plomada que lleva el calor hacia arriba desde el límite de manto núcleo en una columna estrecha. Este segundo régimen, aunque a menudo discontinuo, es periódicamente significativo en la construcción de montañas y la ruptura continental.

La hipótesis del penacho fue simulada mediante experimentos de laboratorio en pequeños tanques llenos de líquido a principios de la década de 1970. 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. 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 hacia sí parte del manto adyacente.

El tamaño y la aparición de columnas de hongos en el manto pueden predecirse mediante la teoría de la inestabilidad transitoria de Tan y Thorpe. La teoría predice columnas de manto en forma de hongo con cabezas de unos 2.000 km de diámetro que tienen un tiempo crítico (tiempo desde el inicio del calentamiento del manto inferior hasta la formación de una columna) de unos 830 millones de años para un flujo de calor en el núcleo del manto de 20 mW. /m², mientras que el tiempo del ciclo (el tiempo entre los eventos de formación de la pluma) es de unos 2000 millones de años. Se prevé que el número de plumas del manto sea 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. 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 conducto vertical, que se supone 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 de la columna fija hacia la superficie forme una cadena de volcanes paralela al movimiento de las placas. 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 con el tiempo, por lo que se unió al club de muchos ejemplos tipo que no exhiben la característica clave propuesta originalmente.

La erupción de basaltos de inundación continental se asocia a menudo con la 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.

Química, flujo de calor y fusión

La composición química e isotópica de los basaltos que se encuentran en los puntos críticos difiere sutilmente de los basaltos de las dorsales oceánicas. 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. Los componentes del manto identificados son DMM (manto basáltico empobrecido de dorsales oceánicas (MORB)), HIMU (manto con alta relación U/Pb), EM1 (manto enriquecido 1), EM2 (manto enriquecido 2) y FOZO (zona de enfoque). 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.

El procesamiento de la corteza oceánica, la litosfera y los sedimentos a través de una zona de subducción desacopla los oligoelementos solubles en agua (p. ej., K, Rb, Th) de los elementos traza inmóviles (p. ej., Ti, Nb, Ta), concentrando la Elementos inmóviles en la losa oceánica (los elementos solubles en agua se agregan a la corteza en los volcanes de arco de islas). La tomografía sísmica muestra que las losas 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 pruebas 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. 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 plumas 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. Este derretimiento sube a la superficie y estalla para formar puntos calientes.

El manto inferior y el núcleo

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. 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.

Evidencia de la teoría

Algunas líneas de evidencia comunes y básicas citadas en apoyo de la teoría son cadenas volcánicas lineales, gases nobles, anomalías geofísicas y geoquímica.

Cadenas volcánicas lineales

La distribución progresiva de la cadena de montes submarinos del Emperador Hawaiano 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 que se forme una cadena volcánica a medida que la placa se mueve sobre su cabeza. en relación con la fuente fija de la pluma. Otros puntos críticos con cadenas volcánicas progresivas detrás de ellos incluyen Reunión, Chagos-Laccadive Ridge, Louisville Ridge, Ninety East Ridge y Kerguelen, Tristan y Yellowstone.

Si bien hay evidencia de que las cadenas enumeradas anteriormente son progresivas en el tiempo, se ha demostrado que no están 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 del punto caliente además del movimiento de las placas. Otro ejemplo son las Islas Canarias en el noreste de África en el Océano Atlántico.

Gas noble y otros isótopos

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. 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 ³Él no es reemplazado como ⁴Él es. Como resultado, la proporción ³He/⁴He en la Tierra ha disminuido con el tiempo.

Se han observado ³He/⁴He inusualmente altos en algunos puntos críticos, pero no en todos. Esto se explica por las columnas que golpean un depósito profundo y primordial en el manto inferior, donde las altas proporciones originales ³He/⁴He se han conservado a lo largo del tiempo geológico.

Otros elementos, p.e. Se ha sugerido que el osmio son trazadores de material que surge cerca del núcleo de la Tierra, en basaltos de islas oceánicas. Sin embargo, hasta el momento faltan pruebas concluyentes de ello.

Anomalías geofísicas

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 que tiene 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. 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.

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 de la Tierra. 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. Sin embargo, existe un intenso debate en curso sobre si las estructuras fotografiadas están resueltas de manera confiable y si corresponden a columnas de roca caliente y ascendente.

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.

Geoquímica

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) tiene una composición más diversa 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 Hawaii o Islandia, son en su mayoría 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. La OIB tiende a estar más enriquecida en magnesio, y tanto la OIB alcalina como la toleítica está enriquecida en elementos traza incompatibles, y los elementos ligeros de tierras raras 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 menor enriquecimiento de plomo radiogénico; y EM2 con una alta relación ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. El helio en OIB muestra una variación más amplia en la relación ³He/⁴He que en MORB, con algunos valores acercándose al valor primordial.

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 los embalses correspondientes a HUIMU, EM1 y EM2. Se cree que estos yacimientos tienen diferentes composiciones de elementos principales, según la correlación entre las composiciones de elementos principales de OIB y sus proporciones de isótopos estables. La OIB toleítica se interpreta como un producto de un mayor grado de fusión parcial en columnas particularmente calientes, mientras que la OIB alcalina se interpreta como un producto de un menor grado de fusión parcial en columnas más pequeñas y más frías.

Sismología

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. Debido a limitaciones computacionales, aún no se podían utilizar datos de alta frecuencia y los datos sísmicos seguían sin estar disponibles de gran parte del fondo marino. No obstante, se visualizaron columnas verticales, 400 C más calientes que la roca circundante, en muchos puntos críticos, incluidos los de Pitcairn, Macdonald, Samoa, Tahití, Marquesas, Galápagos, Cabo Verde y Canarias. Se extendieron casi verticalmente desde el límite entre el núcleo y el manto (2.900 km de profundidad) hasta una posible capa de cizallamiento y flexión a 1.000 km. Eran detectables porque tenían entre 600 y 800 km de ancho, más de tres veces el ancho esperado de los modelos contemporáneos. 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.

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. como mucho. Es posible que exista una diferencia de composición entre las plumas y el manto circundante que las ralentice y las ensanche.

Ubicaciones sugeridas para las plumas del manto

Se ha sugerido que las plumas del manto son la fuente de basaltos de inundación. 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 del Deccan, las trampas de Siberia, los basaltos de inundación de Karoo-Ferrar de Gondwana y las mayores erupciones continentales conocidas. basalto de inundación, la provincia magmática del Atlántico central (CAMP).

Muchas inundaciones continentales de basalto coinciden con el rift continental. Esto es coherente con un sistema que tiende al equilibrio: a medida que la materia asciende en una columna del manto, otro material es arrastrado hacia el manto, provocando rupturas.

Hipótesis alternativas

Paralelamente al modelo de la pluma del manto, se han considerado dos explicaciones alternativas para los fenómenos observados: la hipótesis de las placas y la hipótesis del impacto.

La hipótesis del plato

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 basada en procesos superficiales en el manto superior y por encima, con énfasis en la tectónica de placas como fuerza impulsora del magmatismo.

La hipótesis de la placa sugiere que las placas "anómalas" El vulcanismo 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 Estados Unidos, 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.

Aunque no niega la presencia de convección profunda del manto y de surgencias en general, la hipótesis de las placas sostiene que estos procesos no resultan en plumas 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.

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:

• - La ruptura continental;
• Fertilidad en las crestas de medio océano;
• El volcanismo mejorado en las uniones de los límites de la placa;
• Convección sublitoesférica a pequeña escala;
• Extensión intraplaca oceánica;
• Lámina de desgarro y ruptura;
• Convección de manto hueca;
• Cambios laterales en el estrés en las discontinuidades estructurales;
• Ampliación intraplaca continental;
• Adelgazamiento litoesférico catastrófico;
• Reflexión sublithosférica y drenaje.

La hipótesis del impacto

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 críticos pueden ser desencadenadas por ciertos impactos oceánicos de grandes cuerpos 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. 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.

Comparación de las hipótesis

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.

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. 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". 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.

Aunque 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 críticos.