Estructura i dinàmica de la Terra: Tectònica de Plaques

Estructura interna de la Terra

L'estudi de l'interior de la Terra suggereix una estructura composicional en capes (geosferes) a les quals se superposa una estructura dinàmica, és a dir, referida al comportament dels materials interns.

Ones sísmiques: Són les vibracions (ones sonores) emeses després d'un moviment sísmic (terratrèmol). Es transmeten per tot l'interior de la Terra.

• Ones P (longitudinals o primàries): Són les més ràpides. Es transmeten per sòlids i líquids.
• Ones S (transversals o secundàries): Són més lentes. Només es transmeten per sòlids.
• Ones L (superficials o llargues): Es transmeten per la superfície terrestre. Són les veritables causants del terratrèmol i no ens "parlen" de l'interior.

En canviar de medi de propagació, com totes les ones, es refracten i canvien la seva trajectòria i la seva velocitat, el que ens permet observar canvis de material a l'interior de la Terra. Aquestes refraccions generen "zones d'ombra" que permeten saber a quina profunditat es produeix el canvi de material. Als canvis de material deduïts dels canvis bruscos en el comportament de les ones P i S a l'interior de la Terra se'ls denomina discontinuïtats.

Les capes terrestres són, de fora a endins:

Escorça: és la capa més fina i irregular. Sòlida. El seu gruix varia des de 5 km sota els fons oceànics fins a més de 70 km en alguns punts dels continents. És la menys densa, formada per elements químics lleugers, com l'oxigen, carboni, silici, etc. El seu límit amb la capa següent forma la discontinuïtat de Mohorovicic.

Mantell: més uniforme que l'escorça i molt més gruixut. El seu límit se situa a 2900 km comptats des de la superfície mitjana (superfície del geoide). Es troba en estat sòlid encara que té certa plasticitat. Està compost per elements més densos, com són el ferro i el magnesi, encara que també posseeix importants quantitats de silici, formant una roca característica anomenada peridotita. El seu límit amb el nucli forma la discontinuïtat de Gutenberg. Posseeix dues parts diferenciades i separades per la discontinuïtat de Repetti a 670 km de profunditat: el mantell superior en la qual es produeixen terratrèmols i el mantell inferior, més dens a causa d'un canvi en l'estructura dels silicats.

Nucli: És molt dens. Compost bàsicament per ferro, níquel i sofre, similar a un tipus de material (roca) denominat troilita, trobat en alguns meteorits que han caigut a la Terra (siderolits) i les propietats físiques dels quals coincideixen amb les mesures per a aquesta capa terrestre. El nucli extern es troba en estat líquid, el que sabem perquè les "ones S" desapareixen en ell. El seu límit, situat a 5100 km, s'anomena discontinuïtat de Wiechert o Lehman. A partir d'aquesta discontinuïtat apareix el nucli intern, sòlid, de més densitat i menys sofre. La part central del planeta.

A aquestes capes caldria afegir les anomenades capes fluides, és a dir, la hidrosfera i l'atmosfera. Atès que són el motor dels processos externs, es parla d'elles en els capítols 4 i 5. De totes maneres, no convé oblidar que si l'escorça fos la capa més externa, nosaltres estaríem a la Terra per la part de fora i no dins d'ella. L'últim àtom atmosfèric afectat pel moviment de rotació terrestre se situa a uns 10.000 km sobre la superfície de l'escorça. Aquest seria el veritable límit de la Terra.

La litosfera és la capa dinàmica més íntimament relacionada amb la dinàmica interna de la Terra. Segons la Teoria de la Tectònica de Plaques, que explica el mecanisme pel qual es regeixen els processos geològics interns, es defineix com l'escorça (continental o oceànica) més la part superior del mantell que es comporta de forma solidària (es desplaça) amb ella. El seu comportament dependrà del tipus d'escorça que tingui en la seva part superior, podent-se establir diferents comportaments segons es tracti d'una litosfera continental (amb escorça continental) o oceànica (amb escorça oceànica). El seu límit inferior és difús i se situaria en aquella profunditat en què els moviments del mantell són diferents als de la litosfera.

Estructura dinàmica

És una divisió de l'interior de la Terra en capes no diferenciades per la seva composició sinó per la seva dinàmica, manifestada pel comportament tèrmic.

Litosfera: és la capa més superficial, corresponent a la totalitat de l'escorça i la part més superficial del mantell que es desplaça solidàriament amb ella. La seva profunditat és variable (major sota les serralades que sota els oceans), podent aconseguir uns 200 km de profunditat. És rígida i en ella la calor interna es propaga per conducció. Forma part activa en la convecció del mantell.

Mantell sublitosfèric: format per la resta del mantell que es troba sota la litosfera. Es troba en convecció. Els seus corrents ascendents coincideixen amb les zones de dorsal, i els seus corrents descendents amb les zones de subducció. En el contacte amb el nucli presenta un nivell de transició anomenat D'' al qual s'incorporen les restes de la litosfera.

Nucli (o endosfera): és la font de la calor interna. La seva part més externa es troba fosa i en convecció mentre que la seva part interna és sòlida i transmet la calor per conducció. El nucli és el responsable de la generació del camp magnètic terrestre.

L'escorça terrestre

Tal com s'ha dit, és la capa més fina i heterogènia de la Terra. Es poden apreciar dos tipus d'escorça: escorça continental i escorça oceànica. El trànsit d'una a una altra és lateral, a través de l'anomenada escorça de transició.

Escorça continental: la més gruixuda, pot arribar a 70 km de gruix. Està formada, fonamentalment, per roques plutòniques i metamòrfiques. Les plutòniques són tant més denses com més profundes i les metamòrfiques de major grau com més profundes també. El trànsit de la zona inferior a la superior és gradual, a través d'una zona intermèdia (nivells estructurals o sòcol). Per sobre se situa una capa de roques sedimentàries, que formen l'anomenada coberta.

L'edat es distribueix de manera desigual, a manera de "pegats":

• Cratons o escuts continentals: són les regions més antigues. Són geològicament estables (sense vulcanisme ni sismicitat). Solen ocupar les zones centrals dels continents.
• Orògens: són les regions més joves. Generalment en la perifèria dels continents i amb activitat geològica (vulcanisme i/o sismicitat).

És en l'escorça continental on es troben les roques més antigues (fins a 3.800 milions d'anys).

Escorça oceànica: molt més prima i homogènia (entre 5 i 10 km de gruix). Formada per quatre nivells, de baix a dalt:

• Gabres (roca plutònica)
• Gabres amb dics de basalt
• Basalt (roca volcànica)
• Capa sedimentària (sediments i roques sedimentàries)

Morfològicament, està formada per unes elevacions a manera de grans serralades que solquen els oceans de nord a sud, les dorsals, amb activitat volcànica, un fons pla i extens, la plana abissal, i unes depressions molt profundes (fins a 11.000 m de profunditat) i allargades, les fosses.

L'escorça oceànica és molt jove, amb edats màximes de roques de 180 milions d'anys i una distribució d'edats molt peculiar:

• Les roques més modernes (actuals) es troben a l'entorn de les dorsals, augmentant l'edat simètricament a banda i banda de la mateixa.
• Les roques més antigues es troben al costat dels marges continentals estables o en les proximitats de les fosses.

Escorça de transició: entre les dues anteriors. És, simplement, un trànsit de la continental a l'oceànica. Està formada per blocs d'escorça continental fracturats amb dics de basalt intercalats.

Antecedents de la tectònica de plaques

La Teoria de la Tectònica de Plaques, també anomenada de les plaques litosfèriques o tectòniques i actualment coneguda com a Tectònica Global, sorgeix a finals de la dècada dels 60 (T. Wilson), com a conseqüència d'una sèrie de dades geofísiques i de teories anteriors iniciades el 1912 amb la Deriva Continental (A. Wegener) i culminades a principis dels 60 amb l'Expansió dels Fons Oceànics.

Deriva Continental

Alfred Wegener va proposar, el 1912, la hipòtesi que els continents actuals procedeixen de la fragmentació d'un supercontinent més antic, al que va denominar Pangea. La seva teoria es basa en una sèrie de proves o arguments.

Els corrents de convecció del mantell

A finals de la dècada dels 40, se suggereix la possibilitat que hi hagi al mantell la plasticitat suficient com per propagar la calor interna de la Terra mitjançant corrents de convecció.

Actualment es creu que els corrents afecten la totalitat del mantell i que la litosfera (especialment la que té escorça oceànica) forma part de les cèl·lules convectives, arribant la subducció fins al nivell D'' del mantell (en contacte amb el nucli).

L'expansió del fons oceànic

Deu anys després (finals dels '50 - principis dels '60), Harry Hammond Hess suggereix que els fons dels oceans s'expandeixen contínuament mitjançant material de l'interior que surt per les dorsals oceàniques, el que no només engrandiria les conques oceàniques, sinó que empenyeria als continents a separar-se entre si.

Aquesta afirmació es basa en la distribució d'edats de l'escorça oceànica:

• Actual a l'entorn de les dorsals.
• Augmenta de manera progressiva i simètrica, a banda i banda de la dorsal, segons ens allunyem d'ella.
• L'edat màxima, per on tornarien els materials a l'interior, es troba als costats de les grans fosses marines.

De la mateixa manera, els sediments marins augmenten de gruix segons ens allunyem de la dorsal. Si acceptem que a més temps exposat a la sedimentació li correspon major quantitat de sediments, això corrobora la distribució d'edats.

Sabem, també, que els pols magnètics s'inverteixen espontàniament. Observant les inversions registrades en roques marines, trobem les proves d'aquestes inversions situades simètricament a banda i banda de les dorsals.

Els cinturons actius

Curiosament, aquestes zones no es distribueixen en regions extenses, sinó que formen dues grans alineacions de milers de quilòmetres de longitud i només uns pocs d'ample, els cinturons actius, que donada la seva situació a la Terra, es denominen:

• Cinturó Circumpacífic (antigament conegut com "Cinturó de Foc del Pacífic"), que voreja les costes americanes, asiàtiques i oceàniques de l'oceà Pacífic.
• Cinturó Eurasiàtic-Melanesi, que inclou les serralades alpines d'Europa i Àsia, connectant amb l'anterior a l'arxipèlag de Melanèsia.

Conclusió: Tectònica de Plaques

Bàsicament la teoria proposa el següent:

• El transport de calor a través del mantell es realitza per convecció.
• La litosfera està dividida en plaques que es corresponen amb el corrent superficial de cada cèl·lula convectiva del mantell.
• On dues cèl·lules convectives contigües són ascendents, es forma una dorsal i es crea escorça oceànica.
• On dues cèl·lules convectives contigües són descendents, es forma una fossa oceànica i es destrueix escorça.
• L'escorça continental és tan poc densa que no arriba a poder introduir-se en el mantell.
• Els límits entre les plaques són les zones més inestables de l'escorça, donant lloc als cinturons actius.

Les plaques litosfèriques o tectòniques

Concepte de placa litosfèrica

Cada placa comprèn una porció de litosfera (escorça més part superior del mantell) i es correspon amb el corrent superficial d'una cèl·lula de convecció del mantell.

Una placa es relaciona amb una altra contigua mitjançant un límit de placa, que pot ser de tres tipus:

• Límits divergents o constructius: Coincideixen els corrents ascendents de les dues cèl·lules convectives: en superfície prenen direccions divergents, el material que ascendeix solidifica convertint-se en litosfera i, per tant, es construeix nova litosfera oceànica. El relleu que es forma s'anomena dorsal oceànica.
• Límits convergents o destructius: Coincideixen els corrents descendents de les dues cèl·lules convectives: la litosfera s'enfonsa fonent-se parcialment. En convergir, una placa llisca per sota de l'altra, el que es coneix com a subducció. La direcció de les dues plaques és convergent i es destrueix la litosfera oceànica. Com a resultat d'aquest procés es formen les fosses oceàniques.
• Límits transformants: Els contactes entre plaques no sempre són convergents o divergents, sinó que els corrents de convecció poden portar adreces més o menys paral·leles, en el mateix o contra sentit, i fins i tot, formar angle. En aquest cas ni es crea ni es destrueix litosfera.

Límits de placa

Dorsals

Les dorsals centrooceàniques són la manifestació dels límits divergents o constructius.

Els corrents calents ascendents del mantell provoquen una elevació en el fons de l'oceà, arribant a tenir una altitud de 1500 a 2500 metres sobre la plana abissal.

A l'eix de la dorsal (zona axial) apareix una vall, el rift, amb activitat volcànica i emissió de gasos a alta temperatura (fumaroles, negres o blanques segons continguin o no sofre).

Per adaptar-se a la forma esfèrica de la Terra, les dorsals estan seccionades i dividides en segments desplaçats per unes fractures anomenades falles transformants.

Processos geològics associats a les dorsals:

• Vulcanisme: l'ascens convectiu del mantell calent, dóna lloc a manifestacions volcàniques, generalment poc violentes, de laves fluides i molt contínues.
• Creació d'escorça oceànica: la solidificació dels corrents ascendents dóna lloc a la creació de nova escorça oceànica que empeny literalment a l'escorça més antiga.
• Expansió del fons oceànic: es dedueix del punt anterior. L'obertura de la dorsal fa que l'escorça preexistent es desplaci amb tot el que en ella o sobre ella pogués existir.

Fosses

La convergència de dues cèl·lules convectives contigües fa que una d'elles es "doblegui" per sota de l'altra ("subducció") generant una depressió en el fons oceànic a tot el llarg del límit, les fosses oceàniques, que poden arribar a adquirir profunditats de més d'11.000 metres sota el nivell del mar.

La placa que subdueix genera moviments sísmics a tot el llarg i ample de la mateixa. Es coneix com a pla de Benioff al pla format per l'alineació de focus sísmics associat al pla de subducció.

En subduir una placa sota l'altra es produeix una fusió parcial, el que dóna lloc a fenòmens volcànics en paral·lel a la fossa. Aquest vulcanisme pot originar l'aflorament d'illes volcàniques. A causa de la esfericitat de la Terra, aquestes illes s'agrupen formant arcs d'illes i per això, a aquests arxipèlags, se'ls anomena arcs insulars o simplement arc-illa.

En moltes ocasions, els sediments marins s'acumulen a la fossa, tapant-la. Aquesta acumulació de sediments s'anomena prisma d'acreció i és la "matèria primera" per a la formació d'orògens juntament amb els arcs-illes.

Processos geològics associats a les fosses:

• Sismicitat: l'entrada de la placa al mantell i la seva fusió parcial, provoca tensions i compressions que juntament amb el fregament entre les dues plaques originen nombrosos terratrèmols.
• Vulcanisme: la fusió parcial de la placa que subdueix i l'ascens dels magmes originats origina arcs d'illes volcàniques (Aleutianes, Filipines, Japó...).
• Orogènesi: quan una de les dues plaques que convergeixen en una fossa porten escorça continental, el prisma d'acreció i l'arc volcànic s'adossen a la massa continental originant un orogen marginal com els Andes. Si la segona placa porta també escorça continental i col·lisionen dos continents es forma un orogen de col·lisió com l'Himàlaia.

Transformants

Quan el límit entre dues plaques contigües no és ni constructiu (dorsal) ni destructiu (fossa), parlem de límit transformant. En aquest cas les plaques poden anar paral·leles o formant cert angle entre elles.

El fregament entre les plaques en aquest tipus de límits genera, bàsicament, processos sísmics, que seran tant més forts o més febles segons la particular relació entre ambdues plaques:

• A Gibraltar la placa Eurasiàtica i l'Africana són paral·leles, amb desplaçament en el mateix sentit. El fregament no és molt gran i els terratrèmols són de baixa o mitjana intensitat (terratrèmols de Granada, Almeria, Múrcia).
• A la Mediterrània oriental, aquestes dues mateixes plaques segueixen sent paral·leles, però el desplaçament és en sentit contrari. Els terratrèmols són d'alta intensitat (terratrèmols de Turquia).
• A la costa pacífica d'Amèrica del Nord, la placa Pacífica i l'Americana "xoquen" en angle recte, formant la falla de Sant Andreu, origen dels terratrèmols de Califòrnia, d'alta intensitat.

Evolució de les plaques i els seus límits

Origen i evolució dels límits constructius

Un límit constructiu se sol originar sota l'escorça continental. Bàsicament consisteix en el trencament en dos d'una cèl·lula convectiva del mantell.

En primer lloc, una massa calenta del mantell ascendeix, produint un bombament en la superfície de l'escorça. Quan aquest corrent comença a divergir, les tensions que genera en el continent fan que s'esquerdi i deixi escapar magma, originant-se una gran vall amb activitat volcànica. Aquesta és la situació actual de la Vall del Rift a Àfrica (la zona dels Grans Llacs).

En continuar les tensions, s'arriba a trencar l'escorça continental, fenomen conegut com a ruptura continental, capaç d'explicar la fragmentació de Pangea que va definir Wegener el 1912. Entre els dos blocs continentals, es forma escorça oceànica, amb una dorsal al mig. Aquesta situació es correspon amb l'actual Mar Roig.

Un cop formada la dorsal, el funcionament d'aquesta va creant escorça oceànica contínuament, de manera que la nova va empenyent la preexistent, donant lloc a l'expansió del fons oceànic i com a conseqüència, la separació dels dos blocs continentals, és a dir, a la deriva continental. Aquesta és la situació de l'oceà Atlàntic actual.

Quan l'obertura de l'oceà sobrepassa uns límits, es pot fracturar l'escorça oceànica, iniciant-se un nou límit convergent, és a dir, una fossa.

Origen i evolució dels límits destructius

Ja hem vist que es pot formar un nou límit destructiu (convergent o fossa) per tensions en l'escorça oceànica. Aquests límits també evolucionen.

Quan es produeix la subducció d'una placa per sota d'una altra, a part de la fossa, es produeix la fusió de part de la litosfera, el que origina un arc d'illes volcàniques, tal com passa actualment en multitud d'arxipèlags de l'oceà Pacífic.

Pot passar que una de les plaques que convergeixen en la fossa, arrossegui escorça continental. Entre l'arc volcànic i la línia de costa del continent quedarà una porció d'oceà, conegut com a mar marginal (com el Mar del Japó).

Segons s'acosta el continent a la fossa, els sediments marins queden atrapats entre l'arc volcànic i el continent, comprimint-se fins al punt d'arribar a emergir. Aquests sediments comprimits, juntament amb l'arc volcànic, s'adossen al marge del continent donant lloc a la formació d'un sistema muntanyós ("orogen") a la costa continental. Un bon exemple d'aquest tipus d'orògens són els Andes.

L'evolució de les plaques: el cicle de Wilson

Si observéssim les plaques en l'actualitat i la seva evolució, arribaríem a la conclusió que existeixen infinitat de situacions possibles. John Tuzo Wilson va ordenar aquestes possibles situacions en un model didàctic i fàcil de recordar que es coneix com a Cicle de Wilson.

És un model idealitzat de l'evolució en el temps de les plaques tectòniques i es compon de 6 etapes:

1. Etapa de Rift Africà: ruptura de l'escorça continental i formació d'una fossa o vall tectònica.
2. Etapa de Mar Roig: separació dels dos blocs d'escorça continental i formació d'un oceà estret.
3. Etapa d'oceà Atlàntic: l'oceà s'obre, es produeix l'expansió i creació d'escorça oceànica.
4. Etapa d'oceà Pacífic: la litosfera oceànica es trenca i subdueix una placa sota una altra. Es creen els arcs d'illes volcàniques.
5. Etapa d'orogen Andí: un continent arriba a la zona de subducció i els sediments marins comprimits entre aquest i l'arc volcànic creen un orogen litoral.
6. Etapa d'orogen Himalaià: es produeix la col·lisió continental i es forma l'orogen de sutura.

El cicle de Wilson es pot dividir en dues parts:

• Etapes expansives, de la 1 a la 3, que es correspondrien amb la fragmentació de Pangea, segons la teoria de Wegener.
• Etapes compressives, de la 4 a la 6, en les quals es reconstruiria una nova Pangea.

Recordes les edats de l'escorça continental i l'oceànica?

• L'escorça oceànica no té més de 180 milions d'anys perquè es destrueix constantment en les fosses.
• L'edat de l'escorça oceànica augmenta paral·lelament a ambdós costats de la dorsal perquè en ella s'està creant contínuament.
• L'edat de l'escorça continental pot arribar a gairebé 4.000 milions d'anys perquè, en ser menys densa, no entra a les zones de subducció i no es destrueix.
• L'escorça continental nova es forma mitjançant els orògens, és a dir, per adossament de sediments marins en les vores continentals. És com si s'anessin enganxant "pegats" en els continents.

Les plaques tectòniques estan vives!

Efectivament, les plaques també es reprodueixen, creixen, i moren.

• Es reprodueixen: observa la vall del Rift africà, la regió dels Grans Llacs. Aquí la placa africana s'està dividint en dues, com si d'una cèl·lula que es divideix per bipartició es tractés.
• Creixen: Fixa't en el límit entre la placa eurasiàtica i l'africana al llarg del Mediterrani. Està limitada per dues dorsals! La dorsal centroatlàntica i la dorsal del Mar Roig. L'activitat d'ambdues dorsals està fent que la placa africana vagi augmentant de mida.
• Moren: Has vist una placa molt petita que hi ha a la costa occidental nord-americana? És la placa Juan de Fuca. A aquesta placa se l'està "empassant" la subducció i acabarà desapareixent. Aquesta i la de Cocos, al Carib, formaven una placa molt més gran al Pacífic, de la qual avui només queden aquestes dues restes.