Una rápida velocidad de colisión entre placas tectónicas (milímetros por año) y una edad joven (de pocos cientos de millones de años) son factores que favorecen que la litosfera se pueda hundir en el manto terrestre, según un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera del CSIC (ICTJA-CSIC). El trabajo ha sido publicado recientemente en la revista Scientific Reports.

Los autores del estudio han desarrollado un nuevo modelo numérico que permite estudiar el efecto que la velocidad de convergencia entre placas y su composición provoca sobre la densidad del manto litosférico facilitando o impidiendo su hundimiento durante los procesos de subducción o delaminación.

"El modelo numérico que hemos diseñado en este estudio proporciona un marco metodológico para entender la estabilidad de la litosfera durante la colisión de las placas tectónicas", explica Kittiphon Boonma, estudiante de doctorado del ICTJA-CSIC y primer autor del artículo.

La litosfera es la capa rígida más externa de la Tierra que comprende la corteza y la parte superior del manto y forma las diferentes placas tectónicas que cubren la superficie terrestre. Estas placas flotan y se desplazan sobre la astenosfera, una capa del manto sublitosférico que es más densa y fluida. En las zonas donde las placas convergen, una de las placas se hunde bajo la otra, penetrando en el manto sublitosférico. Este es el caso típico de las zonas de subducción de litosfera oceánica. Otra posibilidad es que, en zonas de colisión continental, el manto litosférico de una de las placas se separe de su corteza y se hunda en la astenosfera, en un proceso llamado de delaminación. Ambos procesos son sensibles a la densidad del manto litosférico que, a su vez, depende de la presión, temperatura y composición química o, lo que es lo mismo, de la velocidad de convergencia y la edad de la litosfera.

"Nuestras simulaciones combinan la composición litosférica de placas de edades distintas con un amplio espectro de velocidades de colisión para entender que es lo que determina la flotabilidad positiva o negativa de la litosfera", explica Daniel García-Castellanos, investigador del ICTJA-CSIC y coautor del estudio.

"El principal avance de nuestro trabajo es el análisis de la dependencia de la flotabilidad del manto litosférico en función de las variaciones de densidad resultantes del balance de la advección-difusión teniendo en cuenta un amplio rango de velocidades de convergencia y diferentes composiciones químicas del manto", puntualiza Kittiphon Boonma.

Los investigadores realizaron simulaciones considerando 3 tipos característicos de litosfera continental, con un rango de edades entre 2500 y 100 millones de años, y 2 litosferas oceánicas de 120 y 30 millones de años. La velocidad de convergencia considerada variaba entre 1 y 80 milímetros por año. El objetivo era observar el efecto que ejercían sobre la densidad del manto litosférico las distintas velocidades y composiciones.

“En los procesos de subducción o colisión continental aparecen dos efectos contrapuestos que afectan la densidad del manto litosférico. Por una parte, la densidad aumenta debido al aumento de presión pero, a su vez, tiende a disminuir debido al incremento de temperatura en profundidad. La predominancia de unos de estos dos efectos dependerá de la velocidad de convergencia. Además, la densidad del manto litosférico depende de su composición química y se ha observado que ésta disminuye con su edad”, explica Manel Fernàndez.

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Los resultados mostraron que el tipo de manto litosférico continental más antiguo y grueso (Arcón) permanece con densidades menores a la de la astenosfera evitando su hundimiento. A velocidades de convergencia entre bajas y moderadas, los investigadores observaron que los otros dos tipos de mantos continentales estudiados pasaban de hundirse a permanecer estables debido a su menor grosor y a la pérdida de densidad provocada por el incremento de temperatura con la profundidad. Por último, los dos tipos de litosfera oceánicas acababan siempre por hundirse, fuera cual fuera la velocidad de convergencia aplicada, debido a su mayor densidad asociada a la composición.

"Según estos resultados, cuanto más rápida es la convergencia entre dos placas continentales, mayor es la probabilidad de que una de ellas subduzca o se delamine y pueda hundirse en el manto", explica Daniel García-Castellanos.

"Los resultados sugieren una explicación de porqué las placas más jóvenes acaban subduciendo más fácilmente, acabando recicladas en el manto mientras que los cratones, las regiones continentales más antiguas, parecen resistir mejor los cambios de las fuerzas tectónicas durante la evolución de la Tierra y evitan subducir o delaminarse", concluye García-Castellanos.

Los investigadores del ICTJA-CSIC Ivone Jiménez-Munt y Ajay Kumar han colaborado también en la elaboración de este estudio.

Artículo de referencia

Boonma, K., Kumar, A., Garcia-Castellanos, D., Jiménez-Munt, I. and M. Fernàndez. Lithospheric mantle buoyancy: the role of tectonic convergence and mantle composition. Scientific Reports 9, 17953 (2019) doi:10.1038/s41598-019-54374-w

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