La tectónica de placas (del latín tectonicus tardío , derivado del griego τεκτονικός / tektonikós , "edificio") es un modelo científico que explica la dinámica general de la litosfera de la Tierra. Este modelo teórico se construye a partir del concepto de la deriva continental , que fue desarrollado por Alfred Wegener a principios del XX ° siglo. La teoría de la tectónica de placas fue aceptada por la comunidad geológica internacional a finales de la década de 1960 , siguiendo el concepto de "cinta transportadora de doble océano".
La litosfera, la capa exterior rígida de la Tierra formada por la corteza y parte del manto superior , se subdivide en placas, llamadas tectónicas o litosféricas . Se han identificado quince placas principales, a las que se añaden unas cincuenta placas menores. Estas placas tienen movimientos relativos variados, lo que genera diferentes tipos de fronteras entre ellas: convergentes , divergentes o transformadoras . En estas fronteras ocurren muchos fenómenos geológicos, como terremotos , actividad volcánica , la formación de cadenas montañosas y la formación de fosas oceánicas . La velocidad del movimiento relativo de dos placas vecinas varía entre 0 y 100 mm / año .
Las placas tectónicas consisten en una litosfera oceánica y / o continental, caracterizada por las cortezas de los mismos nombres respectivos, bajo las cuales se encuentra la zona rígida del manto superior.
El movimiento de estas placas es posible porque la litosfera rígida descansa sobre la astenosfera subyacente, la parte dúctil del manto superior. Este movilismo litosférico es la expresión de los movimientos de convección que animan el manto terrestre, mecanismo que permite a la Tierra disipar su calor interno hacia la superficie.
Durante varios siglos, las ciencias de la Tierra han estado dominadas por la teoría fijista que se basa en la observación del estado sólido de casi todo el globo terrestre y de la superficie terrestre que presenta una geometría estable e inmutable.
Ya en 1596 , en su obra Thesaurus geographicus , el cartógrafo de Amberes Abraham Ortelius notó el parecido del curso de las costas americana y africana. Él plantea la hipótesis de que estos continentes se reunieron una vez y que se separaron después de desastres: inundaciones y terremotos. Francis Bacon también subraya esta complementariedad en 1620. En La corrupción del mundo grande y pequeño (1668) el padre François Placet afirma que la separación de América del resto de los continentes ocurrió durante el diluvio universal . En 1756, el teólogo alemán Theodor Christoph Lilienthal (de) descubrió la confirmación bíblica de esta separación al interpretar con poca probabilidad un pasaje del libro del Génesis .
XIX XX sigloEl paso final hacia una verdadera teoría de la deriva continental regresó en 1858 al geógrafo Antonio Snider-Pellegrini en sus memorias tituladas La creación y sus misterios desvelados . Ofrece un primer borrador de una explicación racional de la complementariedad de las costas de Europa y América del Norte por el parecido de la flora fósil del Carbonífero en estos dos continentes. Para Snider, un bloque primitivo de roca fundida habría ocupado solo una cara de la Tierra y luego, enfriada, se habría roto, creando el Atlántico que separa los dos continentes; estos entonces se habrían movido sobre la superficie de la Tierra. Sin embargo, Snider, un creyente en la ortodoxia cristiana, todavía invoca la teoría del catastrofismo para atribuir el fenómeno del enfriamiento al Diluvio .
Los hombres de ciencia, inmersos en la teoría del uniformismo que ha surgido a finales del XIX XX granja del siglo todavía creen en la sostenibilidad de los mares y continentes. Sin embargo, algunos movilistas (partidarios de la teoría movilista que considera que importantes movimientos horizontales animan la Tierra) se han expresado.
Hasta principios del XX ° siglo, se permite la movilidad vertical de la tierra (de la observación de terremotos, volcanes de entrenamiento), pero no la movilidad horizontal.
Sin embargo, la teoría fijista sigue siendo dominante y solo quedan explicados los desplazamientos verticales. El geólogo Léonce Élie de Beaumont desarrolla la hipótesis de los "sistemas de elevación" para explicar la orogenia . Al final del XIX ° siglo, Eduard Suess sustituye a la asunción de "levantamientos" por la de seguidor "hundimiento" de la teoría de la contracción de la Tierra, propuso que las montañas son el resultado de pliegues, mientras que los océanos provienen de la colapso de puentes terrestres . Sin embargo, varias restricciones (distribución bimodal de altitudes, gravedad casi constante en la superficie del globo) hacen que estos modelos fijadores sean inoperantes.
XX XX sigloEl geólogo Frank Bursley Taylor formuló en 1908, en una comunicación a la American Geological Society , la hipótesis de la deriva continental, basada en el hecho de que encontramos cadenas montañosas en los márgenes continentales frente a las costas atlánticas, como las Montañas Rocosas en América del Norte y los Andes. en Sur America. Estas cadenas se habrían formado por un efecto de embestida causado por la deriva continental.
la 6 de enero de 1912, el meteorólogo alemán Alfred Wegener , aparentemente sin conocer el trabajo de Taylor, presentó a la Sociedad Geológica de Frankfurt am Main una presentación coherente y argumentada de la teoría de la deriva continental , con varios elementos de demostración, lo que explica por qué la autoría de esta teoría se le atribuye. Para él, un supercontinente , Pangea (una palabra formada por dos nombres griegos, Pan y gê, Tierra entera ) se rompió al comienzo de la era secundaria , lo que llevó a la apertura del Atlántico Norte y la separación de la Antártida, luego la apertura del Atlántico Sur. Desde esta era, las masas continentales resultantes de esta fragmentación se desplazarían sobre la superficie de la Tierra, como balsas. Wegener publicó un trabajo en 1915, Génesis de los océanos y continentes: teorías de las traducciones continentales , en el que especificó las numerosas pruebas en las que se basó: pruebas morfológicas (entrelazamiento de las formas de los continentes, como el cuerno nororiental de Brasil y el fondo del Golfo de Guinea), estratigráficos (continuidad estratigráfica entre África y Sudamérica que da lugar a la existencia de cratones hechos de tonalitas o escudos que datan del Paleozoico ), paleoclimáticos (existencia de guijarros estriados que datan de primarias en Sudáfrica y América del Sur, que atestigua que los dos continentes sufrieron las mismas influencias glaciares durante la era Paleozoica) y paleontológicas (misma flora y fauna de las primarias entre las que se encuentran los mesosaurios , cygnonatus y glossopteris , una especie de helecho semilla del Paleozoico).
Esta intuición, aunque apoyada en convincentes argumentos interdisciplinares, es rechazada por buena parte de la comunidad científica ( Du Rietz (de) , Ludwig Diels o Harold Jeffreys ) y encuentra pocos partidarios, como René Jeannel . Wegener, de hecho, falla en su teoría cinemática (una teoría movilista más descriptiva que causal) para proporcionar una causa plausible para esta deriva. Él piensa que la corteza continental sola se está moviendo, deslizándose directamente "hacia" o "sobre la superficie" de la corteza oceánica . Pero, en esta visión teórica todavía marcada por un cierto fijismo (la deriva continental de Wegener es ante todo una teoría de la permanencia de los continentes), la deriva se caracteriza por la formación de enormes agujeros. Wegener propone como explicación el pastoreo de los continentes en el fondo del océano para explicar la deriva. Además, la hipótesis de “balsas” de sial flotando sobre la sima viscosa no es aceptable porque los sismogramas muestran que la sima es sólida. Finalmente, las fuerzas imaginadas por Wegener (fuerzas centrífugas del vuelo del polo , fuerza de Eötvös , efecto de marea ) para hacer que los continentes se desvíen son demasiado débiles para superar su rigidez.
Los mecanismos y la morfología interna de la Tierra en este momento aún se desconocen para una interpretación plausible de la deriva. Además, los geólogos consideran implícitamente que el fondo marino tiene una naturaleza idéntica a la de los continentes.
Jean Goguel publicó en 1942 su Introducción al estudio mecánico de las deformaciones de la corteza terrestre ; en 1952 publicó su Traite de tectonique . La hipótesis de los movimientos de convección en el manto, presentada por Arthur Holmes en 1945, ofrece un motor plausible para estos movimientos de los continentes.
El geólogo estadounidense Harry Hess se basa en nuevos datos científicos (mapas del fondo del océano con evidencia de fisuras y fosas oceánicas , flujo de calor y mapas de la edad del fondo del océano) para desarrollar en 1962 un nuevo modelo científico , la expansión del océano. piso , también llamada hipótesis de la cinta transportadora doble . Hess propone que la corteza oceánica , creada al nivel de las dorsales por corrientes ascendentes y enterrada al nivel de las fosas oceánicas por corrientes descendentes (fenómeno de subducción ), se recicla continuamente mientras que la corteza continental , por su ligereza, está condenada a. deriva sobre la superficie de la Tierra.
La hipótesis de la cinta transportadora doble marca una verdadera revolución en las ciencias de la tierra y refina el concepto primitivo de Wegener de la deriva continental . Este último convierte a los bloques continentales (formados por corteza continental ) en el motor de la deriva continental mientras pierden este papel a favor de los océanos según Hess. Para estos últimos, los continentes se incorporan a la litosfera como trozos de madera en el hielo marino y son arrastrados pasivamente junto con las aberturas y cierres de los océanos.
Varias observaciones permiten verificar la hipótesis de expansión oceánica .
En 1958 y 1961, los oceanógrafos Ron G. Mason (in) y Arthur D. Raff destacan bandas de anomalías magnéticas simétricas con respecto al eje de las dorsales oceánicas, correlacionables con los fenómenos de inversión del campo magnético terrestre . El geofísico Drummond Matthews (en) y su alumno Frederick Vine (en) interpretan este arreglo apodado "piel de cebra" como confirmación de la hipótesis de Hess: la acumulación de material del manto al nivel de las grietas y la deriva de la corteza oceánica llevada por el manto subyacente que actúa como una cinta transportadora a cada lado de la grieta, están en el origen de esta disposición característica.
A partir de entonces se estableció la teoría sintética de la tectónica de placas, que dio una explicación global a la expansión oceánica y la sismicidad de las zonas de las trincheras oceánicas modelando el movimiento relativo de las placas tectónicas en la esfera terrestre. En 1965, el geofísico Tuzo Wilson desarrolló el concepto de falla transformadora , que le permitió cortar la superficie de la Tierra en un mosaico de placas (a las que llamó " placas litosféricas ") en movimiento entre sí. En 1967, Dan Peter McKenzie detalla el motor de esta tectónica, la convección del manto , y con su colega Parker restringió el modelo con problemas geométricos relacionados con los movimientos en una esfera . William Jason Morgan sugirió en 1968 que la tectónica terrestre puede modelarse mediante un número reducido de placas tectónicas (seis grandes bloques rígidos y doce más pequeños). El mismo año, el geodinámico francés Xavier Le Pichon propuso un modelo compuesto por seis placas y mostró sus movimientos relativos durante 120 millones de años. Finalmente, Jack Oliver y su alumno Bryan Isacks logran explicar la sismicidad en todo el mundo mediante el modelo de tectónica de placas, que finalmente convence a la mayoría de los científicos de rechazar el paradigma fijador y adoptar la nueva teoría.
Durante la presentación de su teoría de la tectónica de placas en 1968, Le Pichon distinguió seis placas litosféricas principales:
Además de estas placas principales, estudios más detallados han llevado a la identificación de varias placas secundarias de menor importancia. En efecto, los límites de las placas no siempre están bien definidos y se habla de borde de placa “difusa”.
La investigación identifica quince placas principales en 2015.
En 2016, las simulaciones numéricas realizadas por Mallard et al. muestran que las placas tectónicas son cincuenta y tres: siete placas grandes (América del Norte, América del Sur, África, Eurasia, el Pacífico, Australia y la Antártida), que cubren el 94% de la superficie terrestre, entre las cuales hay cuarenta y seis pequeñas placas complementarias .
Ahora se acepta que las placas tectónicas son transportadas por los movimientos del manto astenosférico subyacente y experimentan interacciones, cuyos tres tipos principales son divergencia, convergencia y deslizamiento. Estos tres tipos de interacción están asociados con las tres familias principales de fallas :
Una zona de "divergencia" que aparece en una corteza continental conduce transitoriamente a la formación de una grieta .
Una fisura activa en la zona continental no puede ser una situación prolongada, porque la separación de los dos bordes de la corteza continental crea un vacío que será llenado por la corteza oceánica, creando finalmente un nuevo océano.
El ejemplo más famoso de divergencia continental es el Gran Valle del Rift en África , que separa la placa africana de la placa somalí , que se extiende hacia la grieta del Mar Rojo, ya en gran parte sumergida, que separa la placa africana de la placa árabe .
Cuando las cortezas continentales se han separado lo suficiente, la zona de divergencia se encuentra en el medio oceánico y separa dos superficies formadas por corteza oceánica . Tal zona de divergencia oceánica separa dos placas entre sí, junto con una elevación del manto entre ellas, lo que permite la formación continua de la corteza oceánica . Su borde divergente corresponde a una cordillera oceánica o dorsal , lugar de creación de la litosfera oceánica y escenario de intenso vulcanismo .
Aparte de sus bordes, las placas son rígidas, de geometría fija: si hay áreas de divergencia que crean la superficie terrestre, necesariamente también hay áreas de convergencia donde la superficie terrestre puede desaparecer. Por tanto, las áreas de divergencia están necesariamente acompañadas de áreas de convergencia.
Las zonas de convergencia son la principal fuente de orogénesis . La formación de montañas continentales a partir de zonas de convergencia es un mecanismo de cuatro tiempos.
Una zona de convergencia que involucra dos costras oceánicas lleva a una a sumergirse debajo de la otra, en un movimiento de subducción . La placa inferior se hunde en una trinchera oceánica y en el borde de la placa superior forma un arco volcánico . Esta es la situación de la Fosa de las Marianas o las Islas Kuriles . En este tipo de convergencia, la placa inferior se acorta y la placa superior permanece estable.
Si la corteza oceánica de la placa inferior se extiende por una corteza continental , la entrada de esta última a la fosa oceánica conducirá temporalmente a una situación de obducción : la corteza oceánica superior pasa por encima de la corteza continental inferior. Esta situación es transitoria, porque la corteza continental, menos densa, no puede hundirse y bloquea el movimiento de convergencia. Si la convergencia continúa, será la corteza continental (menos densa, d = 2,7 ), posiblemente solapada por rocas de origen oceánico, la que tomará el relevo, y la corteza oceánica (la más densa, d = 3, 2 ) a su vez sumergirse en un movimiento de subducción invertida, lo que lleva a un margen continental activo o margen de convergencia .
Un margen continental activo es una zona de convergencia que pone en contacto una corteza continental superior con una corteza oceánica que se hunde debajo de ella en una trinchera de subducción . La costa oeste de América del Sur es un ejemplo. La subducción de una placa debajo de otra tiene muchas consecuencias, como el vulcanismo andesítico (o volcánico explosivo o gris), numerosos terremotos y especialmente la formación de pliegues y fallas.
Finalmente, si la convergencia a lo largo de un margen continental activo ha consumido toda la corteza oceánica , conduce a una zona de colisión , donde se encuentran dos cortezas continentales. El motor del mecanismo de subducción se atasca. No es lo suficientemente poderoso como para hundir una de las placas en la astenosfera debido a su baja densidad. Las dos placas se sueldan juntas para formar una. Este es particularmente el caso de la cordillera del Himalaya , en el límite entre la placa india y la placa euroasiática ; este encuentro se produjo hace 65 millones de años gracias a la migración del continente indio. Ejemplos de cadenas de colisión son los Alpes y las cordilleras Atlas . Cabe señalar que durante la colisión, el material sedimentario se transporta hacia arriba para formar cadenas montañosas donde las rocas se pliegan y fallan.
La colisión conduce a la formación de masas de tierra cada vez más importantes. John Tuzo Wilson mostró que los continentes crecen en un ciclo de Wilson , una serie de etapas cuasi-periódicas donde las placas tectónicas de la corteza terrestre se dispersan y luego se agregan.
El "deslizamiento" o "transcurrencia" se dice del deslizamiento horizontal de dos placas, una al lado y a lo largo de la otra. Es un desplazamiento lateral de una placa contra otra.
El receso es generalmente el resultado de costras continentales. Durante el desplazamiento de esta falla ocurren terremotos muy violentos, debido a un fuerte rozamiento a lo largo de fallas gruesas y poco rectilíneas. La falla de San Andrés en California y la falla del norte de Anatolia en Turquía son dos ejemplos.
Como se indicó anteriormente, una dorsal oceánica siempre está formada por segmentos de divergencia, separados por fallas transformadoras; sin embargo, estas fallas transformadoras oceánicas asociadas con las dorsales apenas producen terremotos, siendo muy rectilíneas y sobre áreas delgadas de la corteza oceánica.
La transformación de las zonas de retranqueo también puede asociarse con el límite entre las placas oceánicas y las placas continentales, como ocurre con la placa del Caribe y la placa de Escocia .
La Tierra tiene un calor significativo debido a la radiactividad (desintegración del potasio , uranio y torio ) y al calor de acumulación inicial. Se enfría evacuando el calor de su superficie. Para ello, se conocen tres mecanismos: conducción térmica, convección y transferencia radiativa . Al nivel del manto de la Tierra, la mayor parte del flujo de calor es evacuado por la puesta en movimiento de las rocas. Esta convección del manto es el motor de la tectónica de placas. La convección es inducida por la presencia de material caliente (por lo tanto menos denso) debajo de material menos caliente (por lo tanto más denso). Estos movimientos son muy lentos (del orden de 1 a 13 cm / año ) y favorecidos por la lubricación por agua de mar y sedimentos que reducen el rozamiento entre las placas.
Hasta hace poco, los geólogos consideraban que el acoplamiento mecánico entre los movimientos de la astenosfera y la litosfera era el principal impulsor de la tectónica de placas. Se cuestiona la importancia de este acoplamiento entre la litosfera (rígida y frágil) y la astenosfera (manto subyacente dúctil y deformable). Se discute el origen de la fuerza que hace que las placas sean móviles:
Estas posibilidades no son exclusivas, pero las contribuciones relativas en el movimiento son muy discutidas y dependen de los estudios, en particular el papel del acoplamiento entre la litosfera y la astenosfera, considerado como mayor hasta que en los años 1990 es fuertemente cuestionado.
En 2019, una simulación 3D de tectónica global de más de 1,5 Ma encontró las principales características: relieves montañosos de 10 km de altura, trincheras submarinas de 15 km de profundidad, zonas de subducción y crestas, aparición y desaparición de supercontinentes, velocidad de movimiento de placas de unos pocos centímetros por año, y flujo de calor superficial realista. Los cálculos indican que, dado que al menos 500 Ma , dos tercios de la superficie de la Tierra se mueven más rápido que el manto subyacente (150 km de profundidad), y que los roles se invierten en el tercio restante: en la mayoría de los casos, el manto se opone el movimiento de la placa (la causa de este desplazamiento se encuentra, por tanto, en la superficie, en las zonas de subducción que tiran de toda la placa), y en un tercio de los casos c por el contrario, el manto empuja la superficie con ella ( y son, por tanto, las corrientes profundas las responsables del movimiento de la placa).
Mientras que los rastros más antiguos de tectónica de placas se remontan a 2.5 Ga (mil millones de años), un equipo internacional de investigadores en geociencias en 2007 rastreó esta tectónica a 3.8 Ga al comienzo del Archean . El análisis de inclusiones en diamantes del cinturón de piedra verde Isua (in) reveló la presencia de eclogita característica de la subducción de una placa oceánica. Un modelo digital de placas tectónicas en dos dimensiones sugiere que alrededor de 4 Ga comienzan a formar placas tectónicas y que la tectónica generaliza un Ga más tarde: los movimientos descendentes de la astenosfera estiran las rocas de la parte del manto de la litosfera y deforman el tamaño de grano de la peridotita. que componen esta parte, lo que la debilita durante un período de aproximadamente 10 Ma (millones de años). La convección del manto se mueve con el tiempo, las áreas debilitadas que ya no están sujetas a deformación ven crecer sus minerales, lo que "cura" la litosfera durante un período de un Ga. En 2016, el modelado termomecánico sugiere que estas son las plumas que, al romper la tierra corteza , formó las primeras placas.
Es probable que la actividad geológica de la Tierra se haya manifestado de formas muy diferentes durante el Hadeano y el Arcaico , y es plausible que el mecanismo actual de la tectónica de placas no haya tenido lugar hasta el Paleoproterozoico (-2,5 a -1,6 Ga ). El descubrimiento de antiguas eclogitas de 2,1 Ga en el bloque Kasai ( cratón Congo ) indica que el establecimiento de la tectónica de placas es al menos anterior a esta fecha.
El descubrimiento en 2016 y 2018 de un exceso de agua en las inclusiones vítreas de komatiitas de Canadá y Zimbabwe , de 2,7 Ga , atestigua la existencia de reservorios de manto hidratado en el Neoarcano (-2,8 a -2,5 Ga ). El estudio de 2019 de la relación D / H en estas inclusiones confirma que esta agua proviene de la superficie, probablemente llevada a la zona de transición del manto por la deshidratación de la corteza oceánica de placas subducidas . El mismo estudio obtuvo resultados similares (también con exceso de cloro y agotamiento de plomo ) en inclusiones de fusión Komatiitic del cinturón de piedra verde de Barberton (in) ( Sudáfrica ), antiguo 3.3 Ga . Por lo tanto, estos resultados trazan los inicios de la tectónica de placas al Paleoarqueano (-3,6 a -3,2 Ga ).
La animación de arriba muestra la dislocación de Pangea desde el Triásico . Al principio, este supercontinente se separa en Laurasia y Gondwana . Laurasia está fragmentada en América del Norte y Groenlandia por un lado y Eurasia por el otro, mientras que Nueva Zelanda, India y luego el bloque Australia-Nueva Guinea se separan sucesivamente de Gondwana, antes de que este continente no se comparta entre América del Sur, África y África. Antártida. Esta dislocación da como resultado una recomposición de los continentes ya que, por ejemplo, India se fusiona con Eurasia, seguida de África y Nueva Guinea.
Esta alternancia de dislocación y recomposición se ha producido varias veces a lo largo del tiempo geológico.
Esta historia general no tiene en cuenta la intervención de los diferentes terrenos , como el Avalonia , del Pannotia, que participó en la formación del Laurussia .
El calor de la Tierra no se evacua de la misma forma dependiendo de si los continentes están agrupados en uno solo o si están dispersos como ocurre hoy y en función de su posición (lo que influye en su albedo , más claro en la zona polar por ejemplo). ). Las cadenas montañosas terrestres o submarinas modifican respectivamente la circulación de masas de aire húmedo y corrientes marinas . Un supercontinente forma un "escudo térmico" que cambia la forma en que se disipa el calor. Necesariamente se romperá en varios fragmentos. Esto marcará el inicio de un nuevo ciclo de Wilson llamado en honor a John Tuzo Wilson (1908-1993), un geofísico canadiense, quien fue el primero en plantear la hipótesis de esta reunión periódica de los continentes.
Se espera que el cierre en curso del Océano Pacífico dé lugar a la formación de un nuevo supercontinente , llamado Amasia ( "Amasia" ) por Paul F. Hoffman en 1992. Amasia podría formarse dentro de cien millones de años, centrarse en el Polo Norte y permanecer separados de la Antártida .
