El inicio de la subducción
La antesala a la tectónica de placas
Uno de los principales mecanismos que permite el movimiento de
las placas tectónicas en nuestro planeta lo encontramos en las zonas de
subducción. Aquí, porciones de la corteza terrestre subducen, es decir, se
hunden en el manto debido a una mayor densidad relativa respecto al mismo. A
medida que la corteza subduce, ésta va “tirando” del resto de la placa
tectónica, “arrastrándola” y causando su movimiento. Es por esto que el inicio
de los procesos de subducción, a mediados del eón Arcaico, se considera un momento
clave en la historia de la Tierra, siendo la antesala a la tectónica de placas
global que conocemos hoy en día. Dada la importancia de este evento, en los
últimos tiempos existe un continuo debate científico sobre cuándo, cómo y por
qué se inició el fenómeno de la subducción.
Cuando sucedió
Actualmente un gran número de estudios científicos apunta a que el inicio de la subducción pudo darse durante el eón Arcaico, entre hace unos 2500 y 3000 millones de años. Sin embargo, existe un alto grado de incertidumbre, ya que las evidencias de la tectónica primitiva dentro del registro geológico se conservan tan solo en los antiguos cratones continentales, los cuales suponen un porcentaje muy bajo respecto del total de la litosfera terrestre. Esta escasez de datos ha llevado a un debate en el que algunos autores defienden un inicio de la subducción más temprano (en torno a 4000 millones de años) o más tardío (en torno a 2000 o 1000 millones de años).
Qué sucedió
Durante el Hádico y principios del Arcaico, la Tierra se encontraba en las primeras etapas de su historia. Las todavía altas temperaturas del interior del planeta favorecían un estado en el que no existía la subducción ni, por lo tanto, la tectónica de placas. Bajo este régimen, la Tierra estaba caracterizada por una corteza fija y sin fragmentar que cubría, a modo de cáscara de huevo, un manto terrestre mucho más caliente que el actual (régimen stagnant-lid, en inglés) (Fig. 1a). Las altas temperaturas del manto, así como la composición y espesor de la corteza primitiva favorecían la “flotabilidad” de la misma debido a su menor densidad relativa. En aquel entonces, la dinámica interna terrestre estaba caracterizada por movimientos en la vertical, mayormente por plumas mantélicas y delaminaciones litosféricas (Fig. 1a).
Sin embargo, la Tierra se ha ido enfriando desde sus inicios. Esto se debe, por una parte, a la disminución gradual del calor primordial, es decir, del calor original procedente de la formación del planeta que se va liberando poco a poco desde el núcleo hacia el exterior; por otra parte, el enfriamiento se debe al descenso en la producción del calor radiogénico. A mediados del Arcaico, hace unos 3000 millones de años, esta disminución de la temperatura interna del planeta propició ciertos cambios en las propiedades de la corteza, dando lugar a heterogeneidades en su composición y espesor. Esto llevó a un aumento en la densidad de ciertas porciones de la corteza, disminuyendo así su “flotabilidad” y comenzando estas a hundirse en el manto y a “tirar” del resto de la corteza. De este modo, se inició la subducción y comenzó una transición a un régimen de tectónica de placas, en el cual la geodinámica terrestre estaría caracterizada por movimientos en la horizontal de una corteza dividida en un sistema de placas que interactúan entre sí (Fig. 1b).
Esta tectónica primordial presentaba diferencias respecto a la actual, principalmente derivadas de una mayor temperatura del manto (respecto al actual) que condicionaba la naturaleza de la subducción primitiva. Se cree que estos primeros eventos de subducción serían episódicos, a pequeña escala y de corta duración. Su duración se estima en unos pocos millones de años, máximo 20. Durante estos episodios, la corteza que subducía se hundía y rompía rápidamente en el manto, desconectándose del resto de la placa y, por tanto, dejando de “tirar” de ella (Fig. 1b). En consecuencia, la subducción y la propia tectónica se ralentizarían o se detendrían durante ciertos periodos de tiempo, para, posteriormente, volverse a reiniciar el proceso. Este régimen dominó el planeta hasta hace aproximadamente unos 1000 millones de años. A medida que el manto se enfriaba, la escala y duración de estos eventos aumentaron, evolucionando hacia una subducción y una tectónica más constantes y parecidas a las actuales.
Sabías que ...
Al iniciarse la tectónica de placas primitiva, se formaron las primeras dorsales oceánicas y zonas de subducción. El magmatismo y fluidos hidrotermales asociados a estas zonas dieron lugar a la formación de fumarolas negras, en las dorsales, y a procesos de serpentinización, tanto en las dorsales como en las zonas de subducción (Fig. 2). Estos procesos generaron fluidos con grandes cantidades de hidrógeno (H2), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), boro (B) y otras moléculas orgánicas simples. Estos fluidos, que emergieron por las fumarolas negras y por volcanes de lodo submarinos localizados en las zonas de antearco (zona entre la fosa oceánica y el arco isla) (Fig. 2) se cree que pudieron constituir el soporte energético para las primeras formas de vida del planeta.
Figura 1. Esquemas
simplificados que muestran cómo cambió el régimen interno de la Tierra durante
sus primeros eones de historia. a) Entre hace unos 4500 y 3000 millones
de años, la Tierra estaba dominada por un régimen con una litosfera fija y sin
fragmentar, caracterizada por movimientos en la vertical. b) Hace entre
3000 y 2500 millones de años se inicia la subducción (en episodios cortos e
intermitentes), dando lugar a un régimen de tectónica de placas primitiva donde
la litosfera está dividida y se mueve lateralmente.
Figura 2. Esquema
de la tectónica de placas primitiva, donde se muestran los dos escenarios
propicios para el origen de la vida en la Tierra: a) las dorsales
oceánicas, debido a las emisiones de las fumarolas negras, y b) las
zonas de antearco de las zonas de subducción, debido a procesos de
serpentinización y emisiones a través de volcanes de lodo.
Por qué sucedió
Como se ha mencionado en el apartado anterior, el planeta Tierra sufre un enfriamiento gradual desde su formación hace 4543 millones de años. En sus inicios, la temperatura del manto era tan elevada que afectaba al espesor y la composición de la corteza terrestre, haciendo que esta fuese reológicamente débil y fuese imposible la subducción. Posteriormente, hace unos 3000 millones de años, durante el Arcaico, el manto ya era menos caliente que en origen. Este enfriamiento relativo hizo que disminuyese la fusión de roca en el manto, por lo que la cantidad de fundidos que ascendían y se emplazaban en la corteza disminuyó. Al contener menos fundidos, la corteza terrestre ganó resistencia, densidad y estabilidad.
Pese a esto, las condiciones seguían sin ser las idóneas para que se diese un proceso de subducción similar al que tenemos hoy en día. Se estima que, durante el Arcaico, el manto seguiría siendo unos 200° C más caliente que el actual, por lo que produciría todavía mucha fusión en el manto, dando lugar a una corteza más gruesa (unas pocas decenas de kilómetros) que la que tenemos hoy. Este mayor grosor, sumado al mayor contenido en fundidos, resultaría en una corteza menos densa que la actual y, por lo tanto, con mayor “flotabilidad”, lo que dificultaría la subducción. Algunos estudios sugieren que esta mayor “flotabilidad” pudo haberse compensado por procesos de eclogitización. Al ser la corteza más gruesa, sus raíces alcanzarían el umbral de profundidad de la eclogitización, aumentando así la densidad de la corteza y favoreciendo el inicio de la subducción. Otros, argumentan que la subducción se inició por diferencias de composición, reología y densidad entre porciones de corteza más máficas (similares a corteza oceánica, más densas) y otras más félsicas (similares a corteza continental, menos densas). Quizá pudo deberse a una combinación de ambas.
El carácter episódico y breve de estos primitivos eventos de subducción estaba condicionado por estas mismas razones: 1) La mayor flotabilidad de una corteza menos resistente y más gruesa que la actual y 2) un manto más caliente y, por tanto, más débil. La combinación de estos efectos lleva a que el manto no ofrezca resistencia a la placa que subduce que, al ser más débil y menos densa, sufre grandes esfuerzos tensionales que la rompen rápidamente, hundiéndose en el manto.
Cómo lo sabemos
Se han encontrado pruebas en el registro geológico que demuestran la existencia, a mediados del Arcaico (hace 2700 millones de años), de una litosfera rígida, dividida en diferentes placas que ya se movían lateralmente e interaccionaban a lo largo de sus límites. Esto se traduce en la existencia de tectónica de placas y, por tanto, de subducción. Estas pruebas son: indicativos geoquímicos y petrológicos de la estabilización de cratones continentales; la acumulación de grandes cuencas sedimentarias, la existencia de fracturas frágiles y el emplazamiento de diques magmáticos rectilíneos que evidencian una corteza estable; secuencias de rocas, estructuras de compresión y cinturones metamórficos de alta presión y temperatura que indican la presencia de márgenes pasivos y convergentes; señales paleomagnéticas que sugieren movimientos entre placas (Fig. 3a).
Otros estudios han hallado, en los principales cratones continentales, rocas plutónicas y volcánicas de hace 2700 millones de años, cuya geoquímica indica que se formaron en arcos de isla (los cuales están asociados a zonas de subducción). Estas rocas se presentan dentro del registro en varios eventos cortos (de pocos millones de años) separados entre sí, evidenciando el carácter episódico de la subducción primitiva. Además, este carácter episódico ha sido observado en modelos numéricos que simulan y reproducen la subducción bajo unas condiciones similares a las del Arcaico.
También se ha registrado, a partir de estudios isotópicos y geoquímicos, que hace unos 3000 millones de años hubo un aumento en el espesor de la corteza continental joven y un cambio en su composición, de más máfica a más intermedia (aumento del contenido en sílice) (Fig. 3b). Estos cambios se interpretan como consecuencia del aumento en los procesos de diferenciación magmática favorecidos por el inicio de la subducción, los cuales dieron lugar más magmas de composición “continental”.
Por último, la presencia de elementos originarios de la superficie del planeta en rocas a mucha profundidad también se emplea como evidencia de subducción en el pasado, la cual habrían arrastrado rocas de la corteza al interior del planeta. El descubrimiento de isótopos de azufre de origen atmosférico, datados en 2900 millones de años, en diamantes situados en el manto profundo, nos estaría hablando de la existencia de subducción a mediados del Arcaico.
Figura 3. a)
Línea temporal entre 3300 y 2400 millones de años donde se muestran los rangos
temporales de las primeras evidencias de subducción y tectónica de placas
primitiva. b) Gráfica que muestra el aumento del espesor de nueva
corteza continental y de su contenido en sílice, hace unos 3000 millones de
años, como consecuencia del inicio de la subducción.
