Tema 1 La tectรณnica de placas
1. Introducción 2. Métodos de estudio de la Tierra 3. Estructura y composición de la Tierra 3.1. Modelo geoquímico 3.2. Modelo geodinámico 3.3. Los movimientos verticales 4. La deriva continental de Alfred Wegener 5. Estudio de los fondos oceánicos 5.1. Composición del fondo oceánico 5.2. Edad de los fondos oceánicos 6. Distribución de terremotos y volcanes 7. La tectónica de placas 8. El ciclo de Wilson
Tema 1 - La tectónica de placas
1. Introducción El mayor reto de los geólogos a lo largo de la historia ha sido intentar explicar el relieve terrestre. Mientras que unas zonas del planeta son totalmente llanas, otras presentan cordilleras y elevaciones, en algunos lugares existen terremotos y volcanes y en otros no se registran nunca. Algunas rocas que forman altas montañas contienen fósiles y otras tienen orígenes volcánicos sin que exista actividad volcánica. Tras múltiples teorías, surgió una que rompió con todas las ideas previas. Alfred Wegener postuló que los continentes se movían y en el pasado todos ellos estaban juntos. Tras muchos estudios posteriores, fundamentados en los estudios de los fondos oceánicos y de la actividad sísmica y volcánica, se puso de manifiesto la existencia de las placas tectónicas, grandes fragmentos compuestos por la corteza terrestre y la parte superior del manto que se movían por la energía interna de nuestro planeta. Es la teoría conocida como tectónica de placas. A lo largo del presente tema veremos qué métodos se utilizan para conocer la geosfera terrestre, así como los estudios que nos han permitido explicar todos los procesos geológicos internos.
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2. Métodos de estudio de la Tierra La Tierra tiene un radio de 6371 km, pero con la tecnología de la que disponemos actualmente, solo se han conseguido perforar unos 13 km, eso supone un 0,2 % del total. Esto significa que solo hemos podido ver una mínima parte del interior de nuestro planeta. Si no hemos visto la mayor parte de la Tierra ¿cómo es posible conocerla y estudiarla? Conocemos el interior del planeta gracias a toda una serie de métodos que nos permiten saber su composición y su dinámica. Los más importantes son:
Si nuestro planeta fuera una manzana, apenas habríamos conseguido perforar su piel
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➯ Sondeos y minas: Las perforaciones nos permiten conocer de forma directa el interior terrestre, pero solo los primeros km, por lo que no es un método adecuado para estudiar la Tierra. ➯ Estudio de las rocas: Existen fenómenos geológicos que dejan al descubierto rocas del interior de la Tierra, como la erosión, que elimina las rocas de la superficie y permite estudiar las que están a mayor profundidad o las erupciones volcánicas, que provocan la ascensión de materiales fundidos del interior. ➯ Meteoritos: La Tierra se formó a partir de los fragmentos presentes en el Sistema Solar, por lo que los meteoritos son un indicativo de los componentes a partir de los cuales se formó nuestro planeta.
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➯ Métodos sísmicos: Es el método más utilizado y el que nos permite conocer con precisión el interior de la Tierra. Se basa en el estudio de las ondas sísmicas que produce un terremoto y según su velocidad o los lugares por donde viajan, se puede deducir el tipo de material que atraviesan, a qué profundidad se encuentra y su estado físico. Los análisis se realizan a partir de unos aparatos denominados sismógrafos y, pese a ser un método indirecto (no estamos viendo los materiales), nos ha permitido conocer con precisión el interior de nuestro planeta.
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Las ondas sísmicas se producen en un punto denominado hipocentro y se desplazan a través de los materiales de la Tierra, durante su desplazamiento se atenúan, cambian de velocidad y de trayectoria. Todos estos cambios son los que nos permiten conocer las características del interior de nuestro planeta.
Las ondas sísmicas se propagan como las ondas que se forman en el agua al caer una piedra Al igual que la luz al cambiar de medio, las ondas sísmicas cambian de dirección y de velocidad al atravesar medios distintos
Hipocentro
Ondas P
Ondas S
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Existen dos tipos de ondas que viajan por el interior terrestre, cada una con unas características: Onda
Origen del nombre
Velocidad
Medios que atraviesan
Movimiento que provocan
Onda P
Primarias, son las primeras en llegar a la superficie
Mayor
Tanto sólidos como líquidos, siendo más rápidas en los sólidos
Hacen vibrar las partículas del terreno en la misma dirección que la onda sísmica
Onda S
Secundarias, se registran en segundo lugar
Menor
Solo viajan por medios sólidos
Hacen vibrar las partículas del terreno en dirección perpendicular a la de la onda sísmica
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Al analizar las ondas sísmicas se observan cambios bruscos de velocidad conocidos como discontinuidades sísmicas debidos a cambios en la composición de los materiales que atraviesan, indicando los límites de las capas de la Tierra. Además, las ondas P pueden atravesar todo el globo, pero las ondas S no, por lo que existen materiales fundidos en estado líquido.
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3. Estructura y composición de la Tierra Gracias al estudio de las ondas sísmicas, se ha podido determinar que la Tierra está formada por capas concéntricas y se establecen dos criterios de clasificación según la composición de los materiales o según el estado físico de los mismos:
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3.1.- Modelo geoquímico: La Tierra se divide en capas según la composición química de sus materiales y cada una está separada de la siguiente por discontinuidades sísmicas. Las capas son: ➯ Corteza: Es la capa más externa, la más delgada y la menos densa. Aquí se producen los movimientos tectónicos. Está separada del manto por la discontinuidad de Mohorovicic y se divide en dos: ➺ Corteza continental: Es la capa menos densa, tiene un grosor de entre 30-70 km y está formada por rocas de todo tipo (sedimentarias, metamórficas y magmáticas), donde abundan los granitos y las rocas calizas. Es más antigua que la corteza oceánica, con rocas de más de 3800 m.a. en el centro de los continentes y más recientes en sus límites. ➺ Corteza oceánica: Es más densa que la corteza continental, tiene un grosor de unos 10 km y está formada principalmente por basaltos y gabros. La edad de sus materiales no supera los 180 m.a., siendo más recientes en las zonas de las dorsales oceánicas y más antiguas en las zonas cercanas a los continentes.
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➯ Manto: Está situada bajo la corteza, desde la discontinuidad de Mohorovicic (35 km) a la discontinuidad de Gutenberg (2900 km). Es más densa que la corteza y aquí abundan las peridotitas, rocas ricas en hierro y magnesio. Aquí también se diferencian dos capas: el manto superior, que llega hasta los 660 km de profundidad, y el manto inferior, que va desde los 660 hasta los 2900 km. ➯ Núcleo: Es la capa más densa de todas y va desde la discontinuidad de Gutenberg hasta el centro de la Tierra (6371 km). Está compuesto por hierro y pequeñas cantidades de otros elementos químicos como el níquel. Por el comportamiento de las ondas sísmicas, se divide en dos capas: ➺ Núcleo externo: Va desde los 2900 km hasta los 5100 km de profundidad y sus materiales están fundidos (en estado líquido), por lo que las ondas S no pueden atravesarlo. ➺ Núcleo interno: Va desde los 5100 km hasta los 6371 km, aquí los materiales no están fundidos y se encuentra en estado sólido.
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3.2.- Modelo geodinámico: La Tierra se divide en capas según su estado físico y sus propiedades mecánicas frente a la temperatura y la presión. Cuando varía la temperatura y la presión, cambia la densidad y el estado físico de los materiales, provocando movimientos en los materiales más plásticos y fracturas en los más rígidos. La división en capas según este modelo: ➯ Litosfera: Es la capa más superficial, formada por la corteza y por una porción del manto. Si contiene corteza continental será litosfera continental y si contiene corteza oceánica será litosfera oceánica y su grosor está comprendido entre los 50-100 km según si es oceánica o continental respectivamente. La litosfera es una capa rígida y, debido a los movimientos verticales (isostáticos) y horizontales (tectónica de placas) que sufre, está fragmentada en las denominadas placas litosféricas. ➯ Astenosfera: Capa que va desde la litosfera hasta los 660 km, aquí los materiales están semifundidos y poseen un comportamiento más plástico; pese a estar en estado sólido, los materiales pueden fluir lentamente. Este movimiento permite la isostasia y la tectónica de placas, es decir, el movimiento de las placas tectónicas sobre ella.
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➯ Mesosfera: Comprende el resto del manto que hay bajo la astenosfera (manto inferior). En la parte que está en contacto con el núcleo está la zona D, que debido a las altas temperaturas está parcialmente fundida, generando las corrientes de convección que darán lugar al movimiento de las placas litosféricas. La mesosfera es sólida, pero sus materiales también tienen un comportamiento plástico que les permite fluir, como ocurre con la astenosfera.
Litosfera con
ca
Litosfera oceáni
tinental
➯ Endosfera: Se corresponde con el núcleo, por lo que tiene materiales en estado líquido en su parte superior (núcleo externo) y en estado sólido en su parte inferior (núcleo interno).
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3.3.- Los movimientos verticales: La litosfera, una capa rígida y poco densa, descansa sobre la astenosfera, una capa con comportamiento plástico y más densa. Este hecho hace que se establezca un equilibrio gravitacional entre ellas conocido como isostasia parecido a lo que ocurre con una tabla de madera al flotar sobre el agua: si aumenta la masa de la litosfera (cadena montañosa), se hunde parcialmente en el manto, y si disminuye la masa, asciende, compensando de esta forma las diferencias de densidad entre ellas. Este hecho es una prueba del comportamiento viscoso del manto y explica el mayor grosor de la corteza terrestre bajo las montañas. Es el mismo fenómeno que ocurre con los barcos, cuando se le quita peso asciende al bajar su línea de flotación.
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El ejemplo más típico es el de la península escandinava, que cada año se eleva unos milímetros al perder una gran cantidad de hielo después de la última glaciación. Al perder masa, asciende debido a la isostasia.
Elevación de la península escandinava en milímetros al año
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4. La deriva continental de Alfred Wegener Antes de contar con los medios técnicos para estudiar tanto el interior de la Tierra como su superficie, se aceptaba que los continentes no se movían (teorías fijistas), aunque no se podía explicar cómo surgían las montañas y la razón de su localización en zonas concretas. Todo esto cambió con la teoría de la deriva continental propuesta por Alfred Wegener, dando paso a las teorías movilistas en las que se defendía que los continentes se habían desplazado grandes distancias a lo largo del tiempo. Según la hipótesis de la deriva continental, hace 200 m.a. todos los continentes estuvieron unidos en un supercontinente al que denominó Pangea y después, se fracturó y los trozos se fueron separando, por lo que los continentes debían moverse. Esta hipótesis tenía que ser demostrada con pruebas, por lo que Wegener viajó por todo el mundo y reunió multitud de indicios indirectos que demostraban que los continentes se habían desplazado. Las pruebas que reunió son las siguientes:
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➯ Pruebas geográficas: Las costas de los continentes, especialmente entre África y Sudamérica, encajan como las piezas de un puzle, algo lógico si los continentes hubieran estado unidos en uno solo. Además, comprobó que la coincidencia era mucho mayor si se consideraban los límites de las plataformas continentales en lugar de las costas.
Pérmico (225 m.a.) Triásico (200 m.a.) Jurásico (150 m.a.) Cretácico (65m.a.)
Actualidad
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➯ Pruebas geológicas: Al reunir a todos los continentes en uno (Pangea), descubrió que también encajaban las cordilleras de los diferentes continentes, pero la coincidencia era mucho mayor: la edad de las cordilleras era la misma y las rocas eran de la misma clase. La única explicación a este hecho era que las formaciones geológicas se formaron con los continentes unidos.
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➯ Pruebas paleoclimáticas: Determinados depósitos de sedimentos (tillitas) solo se producen por la existencia de glaciares. Al comprobar estos rastros observó que existían tillitas de la misma edad en las zonas que antes estaban ligadas al polo Sur y en la actualidad están muy alejadas. Esta distribución también es inexplicable si los continentes hubieran permanecido en sus posiciones actuales.
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➯ Pruebas paleontológicas: Al analizar los fósiles de los diferentes continentes también descubrió que existían restos de las mismas especies de animales y plantas en zonas alejadas en la actualidad por miles de kilómetros, siendo especies incapaces de atravesar océanos, por lo que durante su periodo de vida estarían en un mismo continente, en Pangea.
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Con todos los datos recogidos, postuló que los continentes se movían a la deriva sobre los fondos oceánicos (algo que actualmente se sabe que no es cierto), pero no pudo dar ninguna explicación al motivo del movimiento, razón por la cual su teoría no fue aceptada. Para comprender la dinámica de la geosfera terrestre se tuvieron que producir toda una serie de estudios ligados a los fondos oceánicos y a la distribución de los terremotos y volcanes en nuestro planeta. Con estos estudios surgió, en 1960, la teoría de la tectónica de placas, consiguiendo explicar todos los fenómenos ligados a los procesos geológicos internos.
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5. Estudio de los fondos oceánicos A principios de 1960 empezaron a conocerse los fondos oceánicos, así como las estructuras geológicas que presentan. Fue posible por métodos indirectos a partir de la utilización del sónar, por lo que también se veía su profundidad. Las estructuras más características de los fondos oceánicos son:
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➯ Dorsales oceánicas: Son enormes cordilleras submarinas con más de 15000 km de largo y 1500 km de ancho que se sitúan en la parte media de los océanos. En su parte central presentan una depresión o valle conocido como rift, lugar por donde fluye magma de forma continua. Las dorsales presentan fracturas perpendiculares llamadas fallas transformantes.
Falla transformante Rift
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➯ Fosa oceánica: Depresiones alargadas, estrechas y profundas ligadas a los bordes de los continentes o junto a los arcos de islas volcánicas. La más profunda es la fosa de las Marianas, llegando a los 11 km. ➯ Arcos de islas: Archipiélagos ligados a las fosas oceánicas con una gran actividad volcánica que da origen a las islas. ➯ Islas submarinas y guyots: Islas sumergidas porque todavía no han llegado a emerger o porque eran islas volcánicas cuya actividad volcánica ha cesado y su cima se ha eliminado por procesos de erosión. Los guyots son las mismas estructuras, pero con una cima plana.
Fosa oceánica
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➯ Fondo o llanura abisal: Son los fondos oceánicos y están formados por grandes extensiones de terreno llano de gran profundidad. ➯ Plataforma continental: Son las continuaciones submarinas de los continentes, por lo que están constituidas de corteza continental y tienen muy poca pendiente. Su límite exterior presenta un cambio brusco de pendiente llamado talud continental que da paso a la llanura abisal, formada por corteza oceánica.
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Las ideas previas sobre los fondos oceánicos apuntaban a que eran planos y con grandes cantidades de sedimentos, pero los estudios realizados demostraron que existían multitud de estructuras geológicas en lugares específicos y la presencia de sedimentos era muy reducida, siendo inexistentes en las dorsales. Los estudios continuaron y se obtuvieron dos datos todavía más extraños: 5.1.- Composición del fondo oceánico: Los fondos oceánicos (corteza oceánica) estaban formados, de dentro a fuera, por una capa de rocas magmáticas plutónicas (gabros) seguida de lavas almohadilladas o pillow lavas de basalto, es decir, rocas magmáticas volcánicas que han solidificado rápidamente en presencia de agua. Por último, y solo en las zonas alejadas de las dorsales, existía una capa de sedimentos marinos. Estos datos indican que el fondo oceánico es de origen volcánico.
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5.2.- Edad de los fondos oceánicos: La edad de la corteza continental se sabía y, aunque es diferente según la zona, había constancia de rocas con una edad superior a los 3.800 millones de años. Al analizar las rocas de los fondos oceánicos, se vio que la edad de los materiales no era superior a los 180 m.a., una diferencia muy grande que debería de tener una explicación. Además, la edad es cada vez mayor a medida que nos alejamos de las dorsales oceánicas, distribuyéndose de forma simétrica a ambos lados del rift de la dorsal. Por último, no existían sedimentos en las dorsales y empezaban a aparecer a medida que nos alejamos de ellas.
Edad de la litosfera oceánica en millones de años
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Las observaciones en el rift de las dorsales indicaban que eran lugares que estaban a altas temperaturas y con la presencia de gases volcánicos. Con todos los datos obtenidos se descubría cómo se forman los fondos oceánicos.
Materiales antiguos Materiales modernos
La litosfera oceánica se forma a partir de las dorsales oceánicas, ya que son puntos por donde el magma del interior del manto asciende continuamente hacia el exterior por el rift, formando rocas magmáticas. Como el magma sigue ascendiendo, desplaza a los materiales depositados previamente hacia ambos lados del rift, por lo que la litosfera oceánica va creciendo y los materiales serán más antiguos a medida que nos alejamos de las dorsales. Por esta razón no existen sedimentos en la dorsal, aparecen al alejarnos de esta zona.
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A ➯ A ➺ A
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Si los océanos tienen zonas de crecimiento, pero la Tierra no se expande, deben existir zonas donde se destruya, explicando así que la antigüedad de los fondos oceánicos sea mucho menor que la de los continentes. Estas zonas existen y son las fosas oceánicas, siendo los lugares más antiguos de los fondos oceánicos. El proceso que da lugar a que la litosfera oceánica se hunda hacia el manto terrestre se conoce como subducción y puede ocurrir de dos formas: ➯ Subducción bajo litosfera continental: Se forma una fosa oceánica cercana al borde del continente y origina una cordillera continental. ➯ Subducción bajo litosfera oceánica: Se forma una fosa y un arco de islas sobre la litosfera oceánica que no subduce.
Subducción bajo litosfera continental
Subducción bajo litosfera oceánica
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Como conclusión, las investigaciones sobre los fondos oceánicos han permitido conocer los siguientes aspectos:
Relieve del fondo oceánico
Presencia de dorsales y fosas oceánicas
Composición del fondo oceánico
Rocas volcánicas y pocos sedimentos
Edad de los fondos oceánicos
Rocas más jóvenes en las dorsales y más antiguas próximas a las fosas
Zonas de creación y de destrucción
La litosfera oceánica se crea en las dorsales y se destruye en las fosas
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Diferencias entre la corteza oceánica y la corteza continental:
Espesor Rocas Densidad Edad Distribución de edades
Corteza continental
Corteza oceánica
Gruesa: 30-70 km
Delgada: 8-10 km
Muy variadas y de distribución compleja
Composición muy homogénea y simple
Ligera: 2,7 g/cm3
Alta: 3 g/m3
Antigua: hasta 3800 millones de años
Joven: hasta 180 millones de años
Las rocas más antiguas están en el centro de los continentes y las más modernas en los bordes
Las rocas más jóvenes se localizan en las dorsales y las más antiguas en los bordes, cerca de las fosas
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6. Distribución de terremotos y volcanes Con la instalación de sismógrafos por todo el planeta, se empezó a registrar toda la actividad sísmica, conociendo el epicentro de los terremotos que se producían. De la misma manera, se localizaron los volcanes, incluyendo los de los océanos. Al analizar la localización de terremotos y volcanes se descubrieron dos cosas: ➯ Los volcanes se situaban en los mismos lugares donde se producían los terremotos. ➯ La distribución no era al azar, mientras que unas zonas eran inactivas, otras tenían gran actividad sísmica y volcánica y siempre se correspondían con dorsales oceánicas, fosas y cordilleras jóvenes. Esto significaba que los terremotos y los volcanes son una manifestación de la energía interna de la Tierra y debido a su actividad se forman los relieves a los que siempre van asociados (fosas, dorsales y cordilleras). Analizando los cinturones sísmicos se pudo ver que la superficie de nuestro planeta está fragmentada y cada uno de los fragmentos son lo que conocemos actualmente como placas litosféricas o tectónicas.
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Una placa litosférica es cada uno de los fragmentos en los que se encuentra dividida la litosfera (la corteza y la parte superior del manto). Como la corteza puede ser oceánica o continental, las placas litosféricas pueden ser de tres tipos: ➯ Oceánicas: Formadas por litosfera oceánica. ➯ Continentales: Formadas por litosfera continental. ➯ Mixtas: Poseen litosfera continental y oceánica.
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7. La tectónica de placas A partir de las pruebas de Wegener y los estudios del fondo oceánico, de la posición de volcanes y terremotos y de la existencia de las placas tectónicas, se pudo postular la teoría de la tectónica de placas o tectónica global, los puntos más importantes son los siguientes: ➯ La litosfera se encuentra fragmentada en grandes bloques llamados placas litosféricas que encajan como las piezas de un puzle. ➯ La actividad geológica interna (terremotos y volcanes) se concentra en los límites de las placas. ➯ Los fondos oceánicos se generan en las dorsales y se destruyen en las fosas. ➯ Las placas se mueven por la actividad interna. En algunos lugares se separan y generan nuevos océanos y en otros lugares colisionan y forman cordilleras. Gracias a la tectónica de placas se demostró que los continentes no se mueven sobre los fondos oceánicos como creía Wegener, lo que ocurre es que la litosfera se desplaza sobre la astenosfera, explicando todos los fenómenos que se producen en la superficie a partir de la energía interna de nuestro planeta:
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➯ La tectónica de placas explica todos los fenómenos que observó Wegener. ➯ Existencia de cadenas montañosas (dorsales) en los fondos oceánicos. ➯ Diferencia en la edad de las rocas que forman los fondos oceánicos (180 ma) y los continentes (3800 ma) y escasez de sedimentos de los fondos oceánicos. ➯ Distribución de seísmos y volcanes en la Tierra. ➯ Origen de las cadenas montañosas y su distribución.
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El último punto que hay que aclarar sobre la tectónica global es explicar la razón por la que se mueven las placas y cómo lo hacen. El interior de nuestro planeta irradia una gran cantidad de calor hacia las capas superficiales y dicho calor procede de dos fuentes, la primera es la energía liberada por la desintegración de los elementos radiactivos que posee y la segunda es el remanente de calor primordial procedente del impacto de los fragmentos que formaron el planeta. Al igual que el agua cuando se calienta por su base, los materiales que están en contacto con la fuente de calor aumentan su energía cinética y se separan, de esta forma disminuye su densidad y ascienden, estableciéndose una corriente ascendente. Los materiales de capas más altas están más fríos y más densos, por lo que bajan hasta la fuente de calor y cuando se calientan volverán a ascender por el mismo fenómeno, el movimiento generado son las llamadas corrientes de convección.
➯ A ➺ A
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El calor interno hace que los materiales del manto tengan un comportamiento plástico que permite el movimiento, pero la corteza terrestre está más fría y rígida, por lo que las corrientes de convección provocan su rotura y su movimiento sobre la astenosfera. Por último, hay que entender que el esquema de las corrientes de convección es una representación, la litosfera no se mueve como una balsa por la astenosfera. Su desplazamiento inicial se debe a la fuerza de la gravedad, ya que la dorsal es una zona elevada, y posteriormente, al comenzar su subducción, el peso de la propia placa va tirando de ella y permite su continua introducción hacia capas internas del planeta.
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8. El ciclo de Wilson La dinámica que se establece con el movimiento de las placas tectónicas es la que provoca la unión de los continentes y su posterior separación, estableciendo un ciclo constante de ruptura y reunificación conocido como el ciclo de Wilson: ➀
➁
Formación de un domo térmico: Si el calor acumulado en capas internas está bajo un continente, se provoca un abombamiento por la dilatación de los materiales.
Creación de un rift continental: Con el tiempo, se forman fracturas que adelgazan la litosfera y se forma un rift en el continente. Actualmente se puede observar este fenómeno en el valle del Rift, situado en el continente africano.
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➂
➃
Formación de un mar estrecho: La fragmentación da paso a la separación del continente y a la formación de litosfera oceánica, donde se empezará a acumular agua para formar un nuevo mar, tal y como ocurre con el mar Rojo que separa la península arábiga de África.
Océano tipo Atlántico: La zona del rift da paso a una dorsal oceánica por donde seguirá creciendo la litosfera oceánica a ambos lados y separando cada vez más las masas continentales, formando un nuevo océano. En esta situación se encuentra el océano Atlántico.
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➄
➅
Océano tipo Pacífico: La separación del océano terminará cuando aparezca una zona de subducción por la colisión con otra placa. En este momento se creará una fosa y la litosfera oceánica comenzará a subducir, por lo que el océano deja de expandirse y se reduce, como ocurre con el océano Pacífico.
Etapa de acercamiento: A medida que el océano se reduce, los sedimentos marinos se van acumulando en los bordes continentales y en el interior del continente se forma una cordillera por la subducción producida, tal y como ocurre en la cordillera de los Andes.
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➆
➇
Colisión continental: Como las placas continentales son menos densas que las oceánicas, al chocar dos continentes no se produce subducción, aquí los sedimentos sufren deformaciones y plegamientos que se irán elevando.
Sutura continental: Con el tiempo, ambos continentes se unen y se forma una cordillera intercontinental. El ejemplo más típico es la cordillera del Himalaya, formada por rocas con fuertes plegamientos y con fósiles marinos que nos ayudan a comprender su pasado.