La Bomba Volcánica

Nicola Jones

New Scientist, 177 (2385), p 32.Marzo 8 de 2003

Fuente: MantlePlumes.org

Desde cadenas de islas hasta montañas imponentes, los geológos creen que pueden explicar cómo se forma cualquier volcán. Y si una parte crucial de su teoría está equivocada? pregunta Nicola Jones.

BIENVENIDOS a Hawaii, una cadena de islas volcánicas que se extiende por miles de kilómetros a través del Pacífico. Según la mayoría de los geólogos, Hawai es un ejemplo clásico de la huella de un “punto caliente” (O Hotspot en Inglés), creado por un pluma gigante de magma que se eleva desde el centro de la Tierra a la superficie. A medida que la placa del Pacífico pasa por encima de la pluma, la fuente de la roca caliente va dejando un rastro de puntos quemados, a medida que va quemando la superficie. Estas plumas del manto se encuentran profundamente arraigadas en el “modelo estándar” geológico, y va mano a mano de la tectónica de placas.

Sin embargo, unos pocos geológos renegados han estado diciendo por años que la teoría de la pluma es fundamentalmente defectuosa, y han llegado con explicaciones alternativas para los volcanes y las cadenas de islas como Hawaii. Y ahora otros están comenzando a estar de acuerdo.

Investigadores en el encuentro del año pasado de la Unión Geofísica Américana en Diciembre, presentaron franjas de tal evidencia, y se espera que otros se unan a las filas de estos disidentes en una reunión en Islandia en agosto. La mayoría no están convencidos de que las plumas del manto deban ser descartadas por completo. Pero están dispuestos a admitir que la comunidad geológica está al borde de un cambio radical en el pensamiento, que podría cambiar completamente nuestras ideas sobre el funcionamiento interno de la Tierra.

Uno de los renegados es Don Anderson. Durante la última década, su trabajo en el Instituto Tecnológico  de California lo ha hecho famoso por su creencia de que las plumas del manto, simplemente no existen. Olvídense de las fuentes del centro de la Tierra, dice: las cadenas de volcanes se deben a las grietas (cracks) o fisuras en las placas tectónicas. Después de todo, las placas, que se extienden 10.000 kilómetros, es poco probable que permanezcan completamente intactas. Quiebras la piel y parece razonable que la roca fundida se inunde para llenar la hendidura. Bingo, tienes un volcán – sin una pluma del manto.

La mayoría de los volcanes en el planeta se forman a lo largo de los bordes de las placas tectónicas, donde losas de suelo océanico son apiñadas bajo los continentes y hacen que la roca funda y ascienda a través de fallas en la corteza. Sin embargo, algunos volcanes, como los de Hawaii, parecen surgir de la nada, en medio de una placa. No sólo eso, sino que las islas de Hawai se van haciendo progresivamente mayores hacia el norte-oeste, dejando un montón de volcanes submarinos muertos. Otras cadenas de volcanes antiguos en el Pacífico, como el Archipiélago de Tuamotu y las islas Australes, se alinean casi paralelamente a la cadena de Hawai y ellos, junto con docenas de otras características volcánicas de todo el mundo, están muy lejos del límite de placa más cercano. Ya en la década de 1960, las anomalías como éstas tuvieron al geofísico Tuzo Wilson de la Universidad de Toronto pensando. Tal vez, Wilson suposo, que estos volcanes son causados por fuentes de calor intenso que acechan bajo la superficie – “puntos calientes” que permanecen ahí hasta que las placas pasean por encima de ellos.

¿Cuáles podrían ser las fuentes de este calor? A principios de 1970 Jason Morgan, un físico de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, sugirió que eran fuentes de magma que se elevan verticalmente desde el borde del centro de la Tierra, 2900 kilómetros por debajo. Sin duda, tenía sentido. Las plumas ayudarían a establecer las corrientes de convección las cuales moverían a las placas tectónicas y desempeñarían un papel importante en el transporte de calor desde el núcleo del planeta. Su existencia podría explicar por qué estos puntos calientes parecen permanecer inmóviles  en relación con los demás, y por qué el magma en estos volcanes parece presentar una mezcla de minerales y gases a diferencia de las de los volcanes en los bordes de placa. Las plumas del manto podrían incluso proporcionarnos una visión directa del centro del planeta. Morgan propuso que las plumas existían en torno a 20 puntos, incluyendo Hawaii, Yellowstone e Islandia. La idea fue recibida con gran entusiasmo y se quedo en los libros de texto desde entonces. Hoy en día, algunos investigadores dicen que hay cientos de puntos calientes volcánicos causados por plumas.

Sin embargo, por la década de 1990 los expertos habían encontrado un montón de buenas razones para cuestionar la idea. En 1996, Gillian Foulger, una sismóloga de la Universidad de Durham en el norte de Inglaterra, se dirigió a Islandia con un equipo de investigadores para buscar plumas. A pesar de que Islandia se encuentra sobre la central centro atlántica, donde las placas Américana y Europea se separan y nuevo suelo oceánico se está generando, el hecho de que la actividad volcánica está concentrada en un área relativamente pequeña alrededor de Islandia ha hecho que muchos geólogos propongan que una pluma debe ser la responsable. Así Foulger y su equipo planeaban usar una red de sismómetros instalados en Islandia para medir las ondas sísmicas que rebotan a través de la Tierra después de un terremoto. La roca fundida y caliente,  tiene menor densidad que la fría roca, y esto reduce la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas. Tomas el tiempo de llegada de las ondas sísmicas en diferentes puntos y tienes ya un mapa de la roca subyacente.

Sin embargo, los datos que recogieron parecían demostrar que en lugar de una pluma larga y estrecha de magma procedente de las profundidades de Islandia, de hecho había un amplio reservorio de roca fundida a menos de 400 kilómetros de profundidad. Eso dejó perpleja a  Foulger – hasta que se dio cuenta de que sería fácil encontrar una explicación si dejaba la teoría de la pluma del todo.

Islandia se encuentra pegada a una encrucijada geológica en donde la dorsal centro atlántica cruza una línea de falla antigua – “una sutura ” donde Europa y Norte América colisionaron hace 400 millones de años. Esta geometría y la presencia de actividad volcánica en Islandia tiene que ser ignorada como una coincidencia si crees que una pluma del manto clásica alimenta la isla. Pero Foulger se dio cuenta de que los restos de la corteza dejados atrás en el manto en esta línea de falla tenían un punto de fusión más bajo que el manto de los alrededores. Donde estas rocas de corteza antigua cruzan la dorsal, se debe fundir más que roca a su alrededor, creando los someros reservorios de magma que alimentan los volcanes de Islandia. Ella no necesitaba una pluma del manto.

Pero cuando Foulger presentó por primera vez sus ideas se encontró con una abierta hostilidad y tuvo dificultades para conseguir su publicación. Así que cuando ella habló con Anderson en 1999 y se dio cuenta que habían otros geólogos ahí afuera con las mismas dudas sobre la existencia de las plumas del manto, fue un gran alivio.

El problema con la teoría de pluma de manto, dice Anderson, es que requiere algunos supuestos cruciales. Antes, cuando Morgan estaba desarrollando su teoría, se pensaba que el manto superior era bastante uniforme y no muy caliente. Para explicar los puntos calientes en el centro de las placas tectónicas, los geólogos necesitaban encontrar algún mecanismo para sacar el magma de las profundidades subyacentes.

Hoy en día, sin embargo, los geólogos saben que el manto superior es muy variable, tanto en maquillaje geológico como en temperatura. Además, las edades de algunas islas en cadenas que los geólogos primero pensaron que habían sido formadas por plumas – la de Canarias, por ejemplo – resulta que varían casi al azar de una isla a otra. Incluso el principio central de la teoría – que los puntos calientes de todo el mundo se mantienen quietos respecto a los otros, mientras que las placas pasan por encima – parece estar equivocado. Los geólogos han descubierto que las posiciones de los 50 candidatos a plumas del manto se mueven uno respecto al otro, a razón de unos pocos centímetros al año, aproximadamente a la misma velocidad que las placas tectónicas.

Incluso la composición inusual de magma de los volcanes de punto caliente hacen poco por volver a la teoría de la pluma del manto. Las muestras de magma de Hawai estan inundadas con helio-3, un isótopo que se cree quedo desde el Big Bang. Los investigadores habían asumido que estas abundancias altas de este helio primordial sólo podría haber sobrevivido en un depósito en el interior de la Tierra. Esto parece confirmar que el magma provino de cerca del núcleo. Pero ha crecido la preocupación entre los geoquímicos por esto. Resulta que el helio-3 no proviene necesariamente de las profundidades de la tierra, sino que puede quedar atrapado y ser liberado por cualquier número de cristales de roca, tales como la olivina, un mineral de color verde pálido con un alto punto de fusión que es común en el manto superior. Y los investigadores han encontrado que mientras que el magma en algunos puntos calientes volcánicos liberan un flujo de helio-3, otros muestran una escasez. Anderson sostiene que el manto es simplemente muy variable en su composición. A veces un punto caliente volcánico en una placa coincide con altos niveles del gas. Otras veces no lo hace. “En algún momento tienes que decir basta”, dice Anderson. “Tal vez haya una mejor idea.” El Geoquímico Anders Meibom de la Universidad de Stanford en California está de acuerdo. “Desde un punto de vista geoquímico, la hipótesis de la pluma es la forma usada en exceso. Cada vez que los geólogos ven una traza anómala, gritan ‘pluma!”. Es una salida fácil. “

Por otra parte, Anderson tiene una objeción más fundamental para la teoría de la pluma. Él afirma que la presión en el núcleo de nuestro planeta es simplemente demasiado elevada para permitir que plumas estrechas se formen en primer lugar. Al igual que una mancha de aceite caliente en una bombilla de lava, cada bulto de magma caliente tendría que alcanzar una cierta masa crítica antes de romperse. los cálculos de Anderson demuestran que a las temperaturas y las presiones abajo cerca del núcleo, estas manchas tendría que ser entre 500 y 1.000 kilómetros de longitud y 5.000 kilómetros de ancho – una gran parte del interior de la Tierra – antes de que pudieran comenzar a subir. Si uno logra atravesar la superficie de la Tierra, dejaría una llanura de inundación masiva de lava 10 veces más grande que los geólogos hayan visto. Y aún cuando una pluma estrecha de magma de sólo 10 o 100 kilómetros de largo se creara, Anderson sostiene que el magma por sí mismo no sería capaz de atravesar una capa de cerca del manto inferior a unos 800 kilómetros abajo, donde se produce un cambio químico en el roca. Él calcula que los cambios en la presión y la temperatura a esas profundidades no son lo suficientemente grandes como para volver menos densas a las rocas del manto inferior en comparación de la roca suprayacente. Ellas no podrían ser físicamente capaz de levantarse.

Entonces, ¿cómo explicar la progresión de edad observadas en las cadenas volcánicas como las de Hawai, el rasgo que llevó al nacimiento de la teoría de las pluma del manto en primer lugar? La respuesta podría encontrarse en Yellowstone, alguna vez un arquetipo de una pluma alimentada por un punto caliente. A pesar de que  existe una cadena de volcanes progresivamente mayores marchando desde Yellowstone hacia Idaho, una variedad de estudios sísmicos por parte de una serie de cazadores de plumas no han mostrado signos de magma caliente a una profundidad de 200 kilómetros ni alteración en el manto por debajo de éste. “Yellowstone se supone que es el abuelo de todas las plumas continentales. Es un enorme centro volcánico, pero su estatus como pluma se ha esfumado”, dice Dean Presnall, un petrólogo con la Universidad de Texas en Dallas.

La idea de Anderson parece encajar en su lugar, dice Foulger, que ahora trabaja con el Equipo de Riesgos Volcánicos del Servicio Geológico de EE.UU. en Menlo Park, California. Ella ha trabajado con colegas en Yellowstone y dice que la geología de la región en realidad podría ser el resultado de una grieta propagandose lentamente en dirección noreste. Imagina a alguien rasgando un mapa de los EE.UU., tirando y separando de las dos esquinas. Si hubiese suficiente magma caliente justo debajo de la corteza, entonces los volcanes más frescos seguirían la punta del que desgarra la página. Esto podría explicar Yellowstone, dice Anderson, y también Hawai. Ya es conocido que las fracturas por estrés en el Pacifíco se forman perpendicularmente a las dorsales centro océanicas, como la Dorsal del Pacífico Oriental que corre casi paralela a la costa de América del Sur, a unos 4000 kilometros en el Pacífico. Y cadenas de islas como Hawai y Tuamotu se encuentran más o menos donde cabría esperar que se formaran las fracturas por estrés.

Una de las piezas más irrefutable de las pruebas contra la teoría pluma del manto es que las regiones de la corteza del manto por encima de las sospechada plumas en realidad no parece estar muy caliente – a pesar de que fuentes enormes de magma desde el núcleo caliente deben estar ascendiendo directamente debajo. Seth y Carol Stein, un equipo de esposos de la Universidad Northwestern en Evanston y la Universidad de Illinois en Chicago, han estado cartografiando el  flujo de calor del suelo oceánico durante décadas, en parte para ver si pueden detectar estas plumas. En Hawai, sin embargo, encontraron que la temperatura por debajo del fondo del mar es más o menos el mismo que en todas partes – no hay flujo de calor anómalo.

Algunos geólogos sostienen que el calor de una pluma necesita decenas de millones de años para que se filtre a través de la corteza, y en ese tiempo las placas se habrán movido para que no hubiera ningún rastro de calor extra sobre ninguna región específica de la roca. Los  Steins decidieron visitar Islandia, donde la corteza es más fina y deja que el calor se escape a través de ella cerca de 10 veces más rápido. Todavía no vieron nada. De hecho, ellos vieron lo opuesto a lo que predice la teoría de la pluma – un lugar un poco más caliente hacia el este de Islandia, donde la pluma supuestamente no ha llegado todavía. “Sólo tienes que seguir inventando excusas y modificaciones para hacer que la teoría de la pluma funcione”, dice Foulger.

A pesar de la promesa de las grietas de tensión, algunos dicen que no pueden explicar todas las características volcánicas. Por ejemplo la Isla de Reunión en el Océano Índico. Esta se encuentra al final de una pista volcánica que se remonta hasta la India, la cual pasa por la derecha de una dorsal centro océanica y se extiende por dos placas tectónicas separadas. Es difícil ver cómo una grieta de tensión se puede propagar por una dorsal de esa manera y continuar desde una placa a la placa vecina. Es como rasgar un pedazo de papel y esperar que un segundo pedazo al lado de éste de alguna manera se rasgue también.

Si Anderson está en lo correcto y las plumas no existen, entoncés , la tectónica de placas tiene que poderlo explicar todo, incluso volcanes pícaros como Hawai. De hecho, el vulcanismo y movimiento de las placas llegan a ser uno solo y el mismo. Es casi una “teoría unificada” para los geólogos, bromea Foulger. Eso simplifica algunas cosas, pero plantea una gran cantidad de nuevas preguntas. Morgan prevé plumas como algo que establecería las gigantes corrientes de convección del manto, conduciendo las  placas alrededor como el calor de una estufa agitando agua en una sartén. Pocas personas piensan ahora que las cosas son tan simples. En su lugar, Anderson dice que las corrientes de roca más fría provocan la agitación – pero se olvida de las simples corrientes de convección: hay un lío de roca circulante con muchas capas. Y no hay muestras del interior de la Tierra siendo escupidas fuera de los volcanes Hawaianos como alguna vez pensamos. Todo está en juego.

“Vamos a tener que reconocer que sabemos mucho menos sobre el centro de la Tierra de lo que pensamos que hicimos”, dice Foulger. Pero eso no es un desastre. Es emocionante.

Una mirada más cercana

Cuando Guust Nolet y Dahlen Tony de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey querían buscar plumas del manto y sabían que no podían cavar un agujero hasta el centro de la Tierra, así que hicieron la segunda mejor opción – desarrollaron un buen par de binoculares sísmicos para escudriñar con él.

El problema con la mayoría de los estudios sísmicos, dice Nolet, es que no se ven detalles de gran parte de las entrañas del planeta. Para mejorar la resolución, los dos volvieron a las simulaciones en computador. Es bien sabido que las ondas sísmicas disminuyen su velocidad a medida que pasan a través de rocas calientes dentro de la Tierra, pero sus simulaciones revelaron que las cosas no eran tan simples como todo el mundo suponía. Las ondas sísmicas que pasan por el borde de un pedazo de roca caliente en realidad se desaceleró más que los que pasan por el centro, así que obtienes un complejo patrón de velocidades de las ondas sísmicas en el momento en que alcanzan la superficie. Algunos de ellos incluso se aceleran. Eso significa que todas las interpretaciones previas de los datos sísmicos fueron empañadas por una suposición incorrecta.

Al trabajar en una corrección matemática para este efecto borroso, Nolet y Dahlen han sido capaces de “reorientar” las imágenes de gran profundidad. Ellos dicen que sus resultados preliminares revelan al menos siete plumas que viajan continuamente desde el núcleo hasta la superficie.

Muchos en la última reunión de la Unión Geofisica Americana en Diciembre en San Francisco quedaron impresionados cuando este análisis se presentó. Incluso Gillian Foulger de la Universidad de Durham en el norte de Inglaterra pensó que el análisis fue notable – pero sigue sin estar convencida. Las ondas sísmicas podrían haber estado recogiendo una serie de cosas que no sean una pluma caliente, dice ella, incluyendo el agua o el dióxido de carbono. Y Don Anderson, del Caltech señala que estos estudios preliminares apenas podían mostrar un espejismo estadístico – como resultado de varias regiones de un roca caliente encima de la otra, por ejemplo.

A pesar de que los datos apoyan la existencia de profundas plumas del manto, Nolet admite también que plantean nuevas preguntas. Si las plumas existen, se supone que deben proceder de una de las dos zonas especiales – donde el núcleo se encuentra con el manto a 2900 kilometros de profundidad, como Morgan sugirió, o en la zona de transición a unos 650 kilómetros de profundidad. En ambas de estas capas se cree que la temperatura cambia rápidamente con la profundidad, lo que debería hacer más fácil que una mancha caliente suba  – desplazando ésta sólo un poquito hacia arriba la haría mucho más caliente y menos densa que sus alrededores. Dahlen ve plumas procedentes de estos dos puntos, pero también de otra capa alrededor a 1400 kilómetros de profundidad. ¿Cómo y por qué una pluma empezaría ahí? Nolet confiesa que no sabe. Tratando de enterrar a una controversia , él dice, que ellos podrían desenterrar otra.

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