Qué es una pluma?

Qué es una pluma?

Don Anderson

Laboratorio Sismologico, Instituto Tecnológico de California, Caltech

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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 ([Tienes que estar registrado y conectado para ver este vínculo]
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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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).
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Un saludo y CARPE DIEM

Gracias DRAKO, que buena investigación,,, tiene bastante información, interesante