Qué es una pluma?

Qué es una pluma?

Don Anderson

Laboratorio Sismologico, Instituto Tecnológico de California, Caltech

dla@gps.caltech.edu

Fuente: Mantle Plumes

El término Pluma en Ciencias de la tierra, no siempre es usado consistentemente o definido en forma precisa. Lo que un geofísico entiende por pluma no es siempre entendido como el caso de un geoquímico o un geólogo. Sin embargo, el término se ha definido con precisión en la  dinámica de fluidos clásica, y conviene proporcionar al menos una descripción de las plumas en el marco de la geofísica como puerta de entrada a los muchos otros aportes que se tratan en el sitio web (www.mantleplumes.org)

Las anomalías térmicas pueden resultar de regiones calientes y concentradas del manto superior – puntos calientes – o de penachos ascendentes – plumas. Estas pueden resultar también de regiones de poca profundidad del manto con bajo punto de fusión. Los efectos de la convección del manto (véase también la página de los mecanismos de convección del manto), acumulación y la  interacción de rasgos superficiales con una astenosfera parcialmente fundida  puede crear también anomalías térmicas en superficie. La fusión por descompresión adiabática puede ser causada por corrientes surgentes pasivas, cambios en el espesor de la litosfera, o por el reciclado de material basáltico con baja temperatura de fusión. La explicación habitual para las anomalías térmicas es que son resultado de corrientes activas calientes que ascienden desde una capa limite termal profunda. En el laboratorio, las corrientes convectivas ascendentes aunque son análogas a ésto, son a menudo creadas por la inyección de fluidos calientes y no por la libre circulación de un fluido.

Las caracteristicas de las corrientes convectivas ascendentes y descendentes en un fluido que se mantienen por flotación térmica se llaman plumas. Esta definición estándar de la Dinámica de fluidos de una pluma no excluye los tipos de circulación que puedan ocurrir en el manto terrestre u otros tipos de convección y de surgencia. Sin embargo, el manto no es un fluido homogéneo ideal calentado enteramente  desde abajo – o enfriado desde arriba – que es por lo general lo que se considera en textos de  dinámica de fluidos. La convección normal en un fluido con las propiedades del manto se produce a gran escala, comparable a las escalas laterales de las placas y el grosor de las capas del manto. En geofísica, las plumas son una forma especial de convección a pequeña escala que se origina en una capa limite térmica delgada e inferior (TBL, por sus siglas en inglés: thermal boundary layer) que es calentada desde abajo, en este sentido no todas las corrientes convectivas ascendentes, incluso aquellas impulsadas por su propio dinamismo, son plumas. Las placas una vez que se han subdutado hacía el interior de la tierra se les denomina “losas”. La dimensión de una pluma es controlada por el grosor de la capa límite inferior o el diámetro de la aguja hipodérmica usada en la inyección experimental. Al parecer hay una capa limite térmica en el límite manto-núcleo (LMN), y hay una en la superficie terrestre.Sin embargo, no hay ninguna razón para creer que estas son los únicas. En la Tierra, las capas límite tienden a recoger los productos flotantes resultantes de la diferenciación del manto en la  superficial (continentes, corteza, harzburgita) y  la escoria densa en la inferior. Debido a estas complicaciones, y las escalas de las TBL, es difícil para las técnicas sísmicas  detectar el alto gradiente de temperatura,  firma de una capa límite termal. Sin embargo, los científicos de las ciencias de la Tierra están seguros de que TBLs substanciales existen en la superficie y en el LMN. Las plumas de corrientes ascendentes deben extenderse y estancarse debajo de las capas límites internas. A gran escala, las zonas de baja velocidad a 650 km o 1000 km, por ejemplo, serían buena evidencia tanto para la existencia de capas límite a esas profundidades y de las plumas ascendentes.

Los sistemas de  convección que son químicamente estratificados o que involucran cambios de fase endotérmicos (por ejemplo, con rangos negativos de Clapeyron) desarrollan capas límite internas y térmicas. Debido a sus pequeños contrastes de densidad, las interfaces químicas serían muy relevantes. Esto, junto con la baja sensibilidad de la velocidad sísmica a  temperaturas de alta presión, complica aún más la detección sísmica de TBL profundas. Por otra parte, la presencia de TBLs profundas no requiere que éstas formen inestabilidades estrechas a la corriente de surgencia que alcanza la superficie terrestre. La TBL es una condición necesaria para la formación de una pluma – tal como se entiende en  geofísica y geoquímica  – pero no es una condición suficiente. Asimismo, la formación de una anomalía de fusión en la superficie, o de una corriente convectiva ascendente, no requiere una TBL profunda.

Las capas limite térmicas internas e inferiores no tienen porque tener las mismas dimensiones y constantes de tiempo que las suprayacentes. La tectónica de placas y la convección del manto pueden ser justificadas por el enfriamiento de las placas, el hundimiento de losas  y la refrigeración secular, sin ninguna necesidad de una capa térmica límite inferior – en particular una con las mismas constantes de tiempo igual que la suprayacente. Las corrientes surgentes de descompresión flotantes pueden ser generadas sin una capa límite inferior térmica. Debido al calor interno y los efectos de la presión, las capas limite térmicas inferiores y superiores no son ni simétricas ni equivalentes.

Los fuerzas ascendentes del manto pueden ser desencadenadas por expansión,deshidratación y fusión de losas, por cambios de fase y por el desplazamiento de materiales de profundidad. El enfriamiento de la capa límite de superficie crea bloques densos. Así son las plumas en el sentido estricto de la dinámica de fluidos pero en geofísica, el término se limita a los estrechos afloramientos calientes enraizados en una profunda capa límite térmica, y teniendo una escala mucho menor que la  de la convección del manto normal y las dimensiones laterales de las placas. A veces, las plumas de los geofísicos se consideran como “la forma en que el núcleo se deshace de su calor”.

Si el manto es homogéneo y convecciona como una unidad, de arriba a abajo, tendrá un número de Rayleigh > 107. La convección con número de Rayleigh mayor (> 107) es dependiente del tiempo, y debe contener las escalas de longitud que varían entre el espesor de la capa límite a muchas veces la profundidad de la capa. Si la presión no aumenta con la profundidad, una condición fisicamente imposible, esperariamos ver las características convectivas a través del manto con escalas de 50 a 10.000 km. Hay pruebas convincentes de que el manto no es homogéneo, algunas losas se vuelven horizontales a profundidades cerca de los ~ 650 km y hay un cambio drástico en las características de la estructura del manto a esta profundidad.

Si el manto es químicamente estratificado y los efectos de la presión sobre las propiedades físicas son tenidas en cuenta, el número de Rayleigh efectivo del manto puede tener órdenes de magnitud menores que 107. La capa límite profunda debe ser mucho más densa y lentas que la capa límite de superficie. Las  características térmicas del manto inferior – debido a los efectos de presión – debe tener órdenes de magnitud mayores que el espesor de las losas  y las placas superficiales, y los ordenes de mayor magnitud.

La opinión de que el manto tiene un número de Rayleigh  elevado y  de capas limite inferior y superior relativamente simetricas es el conocimiento convencional de la mayoría de los geofísicos que han trabajado en la convección del manto. Valores elevados de  Rayleigh implican una convección dependiente del tiempo e intermitente, de características a pequeña escala, y mezcla rápida. Un tratamiento completamente consistente con la dinámica- térmica (no  el de Boussinesq e incluyendo los bordes deformables,  y el calentamiento interno y enfriamiento secular no uniforme) está por hacerse aún y mucha de la intuición de la dinámica de fluidos en relación con las plumas se basa en experimentos de laboratorio poco realistas (valores chicos de Prandtl) involucrando o el calentamiento desde abajo o la inyección de fluidos calientes. Un manto homogéneo con punto de fusión constante, muy por debajo de la barra oblicua, es el punto de partida habitual en simulaciones de convección del manto. Una pluma, en el sentido geofísico, requiere del calentamiento desde abajo. Las corrientes de convección ascendentes en fluidos internamente calentados, o de fluidos enfriados secularmente , son amplios y no estacionarios. Otros tipos de corrientes ascendentes como en las dorsales y arcos insulares, o los que son  resultado del calentamiento y el derretimiento de las placas o el desplazamiento debido a losas hundidos, son alternativas a las plumas termales del tipo examinado por Morgan en 1971. Regiones de magmatismo en exceso o de baja velocidad sísmica pueden ser atribuidas con confianza a las plumas solo si se puede demostrar que se originan en una capa límite inferior térmica. Las grietas y diques de la capa límite superior pueden generar también anomalías de fusión. Las zonas de baja velocidad se pueden deber  a la composición o la presencia de pequeñas cantidades de fluidos del límite del grano, los cuales no tienen que resultar de las corrientes convectivas ascendentes.

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