El nacimiento de las plumas

Fuente: Mantle Plumes

El concepto de movimiento de las placas de la corteza sobre puntos calientes del manto ha sido avanzado1 para explicar el origen de las cadenas de las islas Hawaianas, entre otras y el origen de la Walvis, Islandia-Farroe (sic) y otras cordilleras asísmicas. Más recientemente, el patrón de las dorsales asísmicas se ha utilizado para formular la reconstrucción de los continentes2. He mostrado3 que las cadenas de islas Hawai-Emperador, Tuamotu-Line y Austral-Gilbert-Marshall pueden ser generadas por el movimiento de una placa rígida pacífica rotante sobre tres puntos calientes. El movimiento deducido para la placa del Pacífico concuerda con los estudios paleomagnéticos de los montes submarinos4. Se ha encontrado también que los movimientos relativos de la placa deducidos a partir del rumbo de las fallas y las tasas de expansión concuerdan con el concepto de placas rígidas moviéndose sobre puntos calientes fijos. La Fig. 1 muestra el movimiento absoluto de las placas sobre el manto, una síntesis que satisface los datos de movimiento relativo y predice con bastante exactitud las tendencias de las cadenas de islas y dorsales asísmicas distantes de puntos calientes.

Propongo ahora la idea de que estos puntos calientes son manifestaciones de la convección del manto inferior que proporciona la fuerza motriz de la deriva continental. En mi modelo hay cerca de veinte plumas del manto profundas trayendo calor y material relativamente primordial a la astenosfera y corrientes horizontales en la astenosfera que fluyen radialmente lejos de cada una de estas plumas. Los puntos de surgencia tendrán propiedades petrológicas y cinemáticas únicas pero asumo que no hay únicos puntos de descenso correspondientes, el flujo de retorno siendo uniformemente distribuido por todo el manto. Elsasser ha argumentado en privado que los fluidos altamente inestables darían lugar a un patrón de flujo en «nubarrón» en lugar de los roll o patrones de celdas de convección calculados a partir de ecuaciones lineales viscosas.Las corrientes en la astenosfera extendiéndose radialmente lejos de cada corriente convectiva ascendente producirán tensiones en el fondo de las placas litosfericas que junto con las tensiones generadas por la interacción entre placas en las dorsales, fallas y fosas, determinarán la dirección en que la placa se mueve.

Fig. 1 Las flechas indican la dirección y la velocidad de las placas sobre el manto; las flechas más gruesas muestran el movimiento de las placas en puntos calientes. Esta síntesis estuvo basada en los datos de movimiento relativo de las placas (rumbo de fallas y tasas de expansión) y predice las direcciones de las dorsales y cadenas de islas asísmicas que emanan de los puntos calientes.

Evidentemente, las interacciones entre las placas son importantes para determinar la fuerza neta en una placa, para que las dorsales, fallas y fosas existentes, tengan una tendencia a auto-perpetuarse. Las placas son aparentemente muy fuertes y resistentes a cambios grandes debido a que las crestas de las dorsales no suelen desvaneserse ni cambiar de ubicación y los puntos de surgencia de profundidad no siempre coinciden con éstas. (Por ejemplo, las corrientes de surgencia de Galápagos y Reunión están cerca del punto triple en los océanos Pacífico e Índico. El movimiento de la astenosfera radialmente lejos de estos puntos ayudaría a conducir las placas desde los puntos triples, pero hay un desplazamiento considerable entre los «tubos del manto profundo «y las líneas de debilidad en la litosfera que permitirían a las placas separarse.) También, un punto aislado de gran tamaño como el de Hawaii puede existir sin la división de una placa en dos. Yo creo que es posible construir un modelo dinámico simple del movimiento de las placas con una hipótesis sobre la magnitud del flujo lejos de cada punto caliente y una  hipótesis sobre las relaciones de tasas de tensión/deformación entre las dorsales, fallas y fosas. Tal modelo tiene muchas posibilidades para dar cuenta del movimiento de las placas pasadas; los puntos calientes pueden ir y venir y la migración de las placas puede cambiar radicalmente las interacciones de placa a placa. Pero los puntos calientes dejarían indicadores visibles de su actividad pasada en el lecho marino y en los continentes.

Este modelo es compatible con la observación de que hay una diferencia entre los basaltos de las islas oceánicas y el de las dorsales oceánicas 5,6. Esto sugiere una determinada cadena de eventos para formar el tipo de basalto que se encuentra en islas como Hawaii y partes de Islandia. Material relativamente primordial desde la profundidad en el manto se eleva adiabáticamente arriba hasta profundidades de la astenosfera. Esta se fracciona parcialmente en un líquido y sólido residual, el liquido asciende a través de conductos para luego formar la parte toleítica de la isla. Las rocas en el último límite de alcalinidad se generarían en el conducto litosferico después que el movimiento de las placas haya desplazado al conducto desde la «chimenea hasta el manto profundo». En contraste, los basaltos de dorsal procederían exclusivamente de la astenosfera, ascendiendo pasivamente, a rellenar el vacío creado cando las placas se separan debido a las tensiones que actúan sobre ellas. Las diferencias en potasio y en el raro patrón terrestre para los basaltos de tipo insular y de cresta podrían ser explicados con este modelo. Por otra parte, la edad propuesta por Gast7 de 2 mil millones para explicar los datos de los  isotopos de plomo de Gough, Tristan da Cunha, Santa Helena y la Isla Ascensión, pueden indicar cuánto tiempo fue almacenado este material en el manto inferior, sin cambiar antes de la actividad del punto caliente.

Mi afirmación de que los puntos calientes son el motor de los movimientos de las placas se basa en las siguientes observaciones: (1) Casi todos los puntos calientes están cerca de las crestas de dorsales y hay un punto caliente cerca de cada uno de los puntos triples de dorsales, de acuerdo con la idea de que las corrientes en la astenosfera empujan a las placas fuera de las dorsales. (2) Existen pruebas de que los puntos calientes se activan antes de que los continentes se abran. (3) El patrón de gravedad y regionalmente la gran topografía alrededor de cada punto caliente, sugieren que más que solo vulcanismo de superficie tiene que ver con cada punto caliente. (4) Ni las dorsales ni las fosas parecen ser capaces de mover las placas.

La simetría del patrón magnético y la posición «centro-océanica» de las dorsales, indican que son pasivas. Si dos placas se separan, se desplazan a lo largo de alguna línea de debilidad y en  respuesta a esto, la astenosfera asciende  a llenar el vacío generado. Con el empuje posterior de las placas, las leyes de la conducción del calor y la fuerza dependiente de la temperatura  sugieren que en el futuro aparezcan fisuras por el centro de inyección del «dique» previa. Si las dos placas se desplazan en direcciones opuestas por igual o si sólo se mueve una placa y la otra se mantiene fija, habrá una simetría perfecta del patrón magnético. El eje de la dorsal debe estar libre para migrar (como lo demuestra el casi cierre de la dorsal  alrededor de África y la Antártida). Si los «diques» en el eje de la dorsal se requieren para separar las placas, no está claro cómo el carácter simétrico de las dorsales podría mantenerse. El mejor argumento en contra del hundimiento de las placas litosféricas proporcionando  la principal fuerza motriz  es que las pequeñas placas delimitadas por fosas como la placa de Cocos no se mueven más rápido que la gran placa del Pacífico 8. Además, los lentos sistemas de compresión no parecen tener la capacidad para tirar de las otras placas desde otras unidades. El empuje de la placa que se hunde es necesario para explicar el mínimo de gravedad y la profundidad localmente asociados con el sistema de la fosa9, pero no quiero invocar esta fuerza como la principal  tensión tectónica. Esto deja corrientes sub- litosféricas en el manto y la pregunta ahora es: ¿son estas corrientes grandes rollos (espejos del sistema de fosas y dorsales ), o son surgencias localizadas (es decir, puntos calientes)?

Un reciente mapa de gravedad mundial10 calculado para armónicos esféricos hasta el orden 16 muestra máximos de gravedad aislados en Islandia, Hawaii, y la mayoría de los otros puntos calientes. Tales máximos de gravedad son sintomáticos de las corrientes ascendentes del manto. Aún cuando las mediciones de la gravedad son inexactas (diferentes autores tienen mapas de gravedad muy diferentes), el hecho es que los puntos calientes están asociados con las partes anormalmente superficiales de los océanos. Por ejemplo, note que la profundidad de los millones de kilómetros cuadrados que rodean a los puntos calientes de Islandia, Juan de Fua, (sic) de Galápagos, y Prince Edward. La magnitud de la gravedad y el efecto topográficos debe medir el tamaño del flujo del manto en cada punto caliente.

Hay evidencia de la expresión continental de la actividad de un punto caliente en las tierras que bordean el Atlántico: las rocas volcánicas del Jurásico en la Patagonia (formadas por la pluma de la actual Isla Bouvet), los complejos diques al sudoeste de Africa  y los basaltos de inundación en la cuenca del Paraná (de la pluma de Tristán da Cunha), la serie de magma en White Mountain, New Hampshire (el mismo punto caliente que originó la cadena de montes marinos de Nueva Inglaterra (pluma de Azores?), el Skaegaard y la provincia volcánica terciaria escocesa  (pluma de Islandia) y tal vez otros. Reclamo esta alineación de puntos calientes producidos por corrientes las cuales provocaron la ruptura continental, conduciendo a la formación del Atlántico. Del mismo modo las Trampas del Decán (pluma de Reunión) fueron el resultado del proceso de rifting del Océano Índico. Una investigación debe hacerse para la actividad continental particularmente en el este de  África y el oeste de Estados Unidos (los basaltos del río Snake?) como una explicación de las características de rift encontradas allí.  Hay una escasez de puntos calientes continentales en la Fig. 1; tal vez se trata de un sesgo debido a la complejidad continental frente a la simplicidad océanica, pero el modelo presentado aquí predice que la mayoría de los puntos calientes estarían cerca de un spreading rise.

Agradezco a Kenneth Deffeyes y Fred Vine por sus contribuciones a las ideas de este documento. Este trabajo ha sido parcilamente apoyado por la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos y la Oficina de Investigación Naval.

W. J. Morgan

Departmento de Ciencias Geologícas y Geofisícas,
Universidad de Princeton
Princeton, Nueva Jersey

Recibido Diciembre 21, 1970

1 Wilson, J. T. Phil. Trans. Roy. Soc., A, 258, 145 (1965).
2 Dietz, R. S., and Holden, J. C., J. Geophys. Res., 75, 4939 (1970).
3 Morgan, W. J., Hess Memorial Volume (edit. by Shagam, R.), Mem. Geol. Soc. Amer. (in the press).
4 Francheteau, J., Harrison, C. G. A., Sclater, J. G., and Richards, M. L., J. Geophys. Res., 75, 2035 (1970).
5 Engel, A. E. J., Engel, C. G., and Havens, R. G., Geol. Soc. Amer. Bull., 76, 719 (1965).
6 Gast, P. W., Geochim. Cosmochim. Acta, 32, 1057 (1968).
7 Oversby, V. M., and Gast, P. W., J. Geophys. Res., 75, 2097 (1970).
8 McKenzie, D., Geophys. J. 18, 1 (1969).
9 Morgan, W. J., J. Geophys. Res., 70, 6189 (1965).
10 Kaula, W. M., Science, 169, 982 (1970).