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La subducción controla la distribución y la fragmentación de las placas tectónicas

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Subduction controls the distribution and fragmentation of Earth’s tectonic plates

Claire Mallard, Nicolas Coltice, Maria Seton, R. Dietmar Müller & Paul J. Tackley

  • Nature 535, 140–143 (07 July 2016) doi:10.1038/nature17992
  • Recibido 16 Septiembre 2015 Aceptado 4 Abril 2016 Publicado online 15 Junio 2016

La corteza terrestre constituye un rompecabezas de 53 piezas, las placas tectónicas, que pueden ser de dos tipos, de tamaño grande o pequeño. De las primeras hay siete: América del Norte, América del Sur, África, Eurasia, el Pacífico, Australia y la Antártida. Juntas cubren el 94 por ciento del globo. Entre estas placas grandes se hallan otras 46 placas pequeñas. ¿A qué se debe tal distribución, y qué mecanismos han dado lugar a esta división? Claire Mallard, del Laboratorio de Geología de Lyon, y sus colaboradores han creado simulaciones numéricas de planetas ficticios en tres dimensiones para entender cómo se produce la separación de la corteza.

La superficie terrestre se halla en movimiento constante. Esta idea fue formulada por primera vez por Alfred Wegener a principios del siglo XX, pero la comunidad de geofísicos tardó décadas en aceptar su teoría de la deriva continental. En los años cincuenta y sesenta fue reformulada en términos de tectónica de placas: la litosfera (la corteza y la parte superior del manto) se divide en placas que se forman en las dorsales oceánicas y desaparecen al hundirse en el manto en las zonas de subducción. El movimiento de las placas puede reconstruirse a través de las anomalías magnéticas registradas en la corteza oceánica. Pero esta tiene una vida corta, especialmente las placas oceánicas más pequeñas, por lo que resulta difícil reconstruir su historia geológica más allá de los 100 millones de años y deducir los mecanismos subyacentes.

Imagenes de los calculos de conveccion de la Tierra.png

Imágenes de los cálculos de convección de la Tierra con mapas espectrales asociadas heterogeneidad del campo de temperatura y campo de velocidad sísmica. Los mapas espectrales de heterogeneidad se normalizan por el valor de la potencia más alta. Fuente:Nature


Claire Mallard y sus colaboradores han utilizado centros de procesamiento de datos para crear tierras ficticias en tres dimensiones. Estas simulaciones incorporan fórmulas físicas llamadas «de convección» que describen los movimientos del manto terrestre. Los cálculos tienen en cuenta numerosos parámetros, como la viscosidad y la plasticidad del manto.

En las simulaciones, los investigadores han hallado una distribución entre las placas grandes y pequeñas similar a la de la Tierra. Ello confirma que la repartición de las placas tectónicas guarda relación con las interacciones entre la litosfera y la convección del manto. En particular, han demostrado que las dimensiones de las células de convección son equiparables al tamaño de las placas; y que las pequeñas placas se forman preferentemente cerca de las zonas de subducción, donde las placas están sometidas a grandes tensiones al hundirse bajo el manto.

Modelo de conveccion.png

Transmisión de calor en un fluido por movimiento de capas desigualmente calientes.

Detalle de la imagen: La temperatura subsuperficial de un modelo de convección, nos muestra un límite elástico de 150 MPa, límite de placa difusa. a:Temperatura global (escala de color) y velocidades superficiales (flechas). Las zonas oscuras representan zonas de subducción y las zonas claras indican las dorsales oceánicas. b: Un Zoom del cuadrante de color rojo, nos muestran un límite difuso. El cambio constante de las direcciones laterales de velocidad (flechas rojas) caracterizan a la zona difusa intraplaca (área gris) que permite la determinación de un límite difuso (negro línea discontinua).

Subsurface temperature a convection model wiel a yield stress of 150 MPa showing a difuse plate boundary. a: Global temperature (color scale) and surface velocities (Arrows). The dark zones represent subduction zones and the light zones indicate mid-ocean ridges. b: zoom in of the red boxes region in a showing a diffuse boundary, the steady lateral change of velocity directions (red arrows) characterizes the intraplate diffuse zone (grey shaded area) allowing the determination of a diffuse boundary (black dashed line)


Por otra parte, los investigadores han demostrado que la distribución entre las placas pequeñas y las grandes se ha mantenido bastante estable durante varios cientos de millones de años. Hasta el momento, las reconstrucciones de la historia geológica, basadas en métodos estadísticos, indicaban que, hace 200 millones de años, la litosfera estaba constituida principalmente por grandes placas que se fueron fragmentando con el tiempo. Sin embargo, algunos autores pensaban que debía de haber más zonas de subducción en el pasado, aunque no podían demostrarlo. El nuevo estudio apoya esta hipótesis y pone de manifiesto que los modelos anteriores habían sobreestimado el número de placas grandes antiguas en detrimento de las pequeñas.

Esta subestimación de las placas pequeñas tiene una repercusión directa en el análisis retrospectivo del ciclo de carbono. En efecto, las zonas de subducción corresponden a lugares de una intensa actividad volcánica y, por consiguiente, de elevadas emisiones de dióxido de carbono. Si las placas de menor tamaño eran en realidad más numerosas, también lo serían las zonas de subducción y el vulcanismo asociado a ellas. Son datos que hay que tener en cuenta en el estudio del ciclo del carbono de hace varios cientos de millones de años.[1]

Subduction controls the distribution and fragmentation of Earth’s tectonic plates

The theory of plate tectonics describes how the surface of Earth is split into an organized jigsaw of seven large plates[2] of similar sizes and a population of smaller plates whose areas follow a fractal distribution[3], [4]. The reconstruction of global tectonics during the past 200 million years[5] suggests that this layout is probably a long-term feature of Earth, but the forces governing it are unknown. Previous studies[6], [7],[8] , primarily based on the statistical properties of plate distributions, were unable to resolve how the size of the plates is determined by the properties of the lithosphere and the underlying mantle convection. Here we demonstrate that the plate layout of Earth is produced by a dynamic feedback between mantle convection and the strength of the lithosphere. Using three-dimensional spherical models of mantle convection that self-consistently produce the plate size–frequency distribution observed for Earth, we show that subduction geometry drives the tectonic fragmentation that generates plates. The spacing between the slabs controls the layout of large plates, and the stresses caused by the bending of trenches break plates into smaller fragments. Our results explain why the fast evolution in small back-arc plates[9], [10] reflects the marked changes in plate motions during times of major reorganizations. Our study opens the way to using convection simulations with plate-like behaviour to unravel how global tectonics and mantle convection are dynamically connected.

Fuentes & referencias

  1. nature.com/Subduction controls the distribution and fragmentation of Earth’s tectonic plates
  2. Le Pichon, X. Sea-floor spreading and continental drift. J. Geophys. Res. 73, 3661–3697 (1968)
  3. Bird, P. An updated digital model of plate boundaries. Geochem. Geophys. Geosyst. 4, 1027 (2003)
  4. Morra, G., Seton, M., Quevedo, L. & Müller, R. D. Organization of the tectonic plates in the last 200 Myr. Earth Planet. Sci. Lett. 373, 93–101 (2013)
  5. Seton, M. et al. Global continental and ocean basin reconstructions since 200 Ma. Earth Sci. Rev. 113, 212–270 (2012)
  6. Morra, G., Seton, M., Quevedo, L. & Müller, R. D. Organization of the tectonic plates in the last 200 Myr. Earth Planet. Sci. Lett. 373, 93–101 (2013)
  7. Sornette, D. & Pisarenko, V. Fractal plate tectonics. Geophys. Res. Lett. 30, 1105 (2003)
  8. Vallianatos, F. & Sammonds, P. Is plate tectonics a case of non-extensive thermodynamics? Physica A 389, 4989–4993 (2010)
  9. Sdrolias, M., Roest, W. R. & Müller, R. D. An expression of Philippine Sea plate rotation: the Parece Vela and Shikoku Basins. Tectonophysics 394, 69–86 (2004)
  10. Taylor, B., Zellmer, K., Martinez, F. & Goodliffe, A. Sea-floor spreading in the Lau back-arc basin. Earth Planet. Sci. Lett. 144, 35–40 (1996)

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