VOLCANISMO INTRAPLACA Y BASALTOS DE PLATEAU, EN UN MARGEN GLOBAL. Tomado de “Plate Tectonics and Volcanism” Michael R. Perfit, Jon P. Davison.,y “Flood Basalt Provinces” de Peter R. Hooper Traducidos parcialmente y presentado por Gaspar González B. Glosario. Astenósfera: es una capa plástica del manto terrestre, bajo la litosfera, donde la mayoría de los magmas son generados, y donde las ondas sísmicas tienen menos velocidad. Flood basalts: voluminosas y gruesas secuencias de lavas máficas eruptadas desde fisuras en periodos relativamente cortos, son conocidos como plateau basalts o basaltos de plateau. Hot spot: un gran centro volcánico creado por fusión parcial del manto debido al ascenso de material caliente del manto. Zona neovolcánica: estrecha zona de magmatismo y alteración hidrotermal en los ridge centroceánicos. Pluma: Masa elíptica en forma de gota de agua invertida, que asciende desde el interior de la tierra, debido a la menor densidad por mayor temperatura que las rocas que las rodean, están asociados al volcanismo intraplaca y al rifting. Es la causa hipotética de los hotspots. Slab: placa subductada de la litosfera oceánica que sufre deshidratación y fusión parcial bajo los arcos volcánicos. Eclogita: roca de composición química basáltica, pero compuesta principalmente por minerales de clinopiroxeno y granate, la cual es estable bajo condiciones mantelicas de alta P y T. Litosfera: la capa más externa de la tierra, constituida por la corteza y la parte mas alta del manto superior, y que flota en la astenósfera y constituye las placas tectónicas. INTRODUCCIÓN. La tectónica de placas es una simple consecuencia de la perdida de calor de la Tierra. Este calor interno tiene relación de la natural radiación de isótopos como K, U y Th. El principal mecanismo de transferencia de calor desde el interior de la Tierra es por convección, principalmente en el manto. Esta convección es similar a la observada en una olla con sopa, donde los materiales menos densos tienden a subir, y los más densos precipitan, el manto en este caso es una sustancia mucho más viscosa, que se mueve a razones de milímetros al

año. En tiempo geológico esto es suficiente para considerarlo como un fluido plástico, mas que un líquido. Es decir, para propósitos geofísicos el manto auque es sólido puede ser considerado como un fluido altamente viscoso, así como el flujo de los glaciares. Nótese que la litosfera es diferente que la corteza, es decir la litosfera compromete a la corteza y la parte más alta del manto. La corteza está formada por diferenciación magmática. La corteza continental comprende unos 35 Km. de espesor, baja densidad y de aprox. 1-2 billones de años. En contraste las corteza oceánica tiene cerca de 7 Km. de espesor, es más densa y de edades no mayores a los 200 millones de años. La superficie de los continentes esta por sobre el nivel del mar ya que es menos densa y tiende a flotar sobre el manto, principio asociado a la isostasia. Con respecto a los márgenes de placas se tiene (fig. 1) 1. Divergente o constructivo. Las placas que se tocas se alejan entre si, creándose nueva corteza, en la zona de difusión o zona de rift, se les llama ridges centroceánicos. 2. Covergente o destructivo. Donde las placas chocan entre si, en una zona de subducción, caracterizados por fosas oceánicas, cadenas de volcanes paralelos a la fosa. 3. Transformantes o conservativas. Las placas se deslizan horizontalmente en dirección del contacto, caracterizada por una línea de falla o zona de fractura. Cave destacar que estos límites de placas no son estáticos en el tiempo y pueden variar o transformarse entre ellas, o pudiendo aparecer en otros sitios. DISTRIBUCIÓN DEL VOLCANISMO. a. Relación entre volcanismo y límites de placas. Al ver la fig 2, se ve la relación entre volcanismo y placas tectónicas, principalmente entre los límites de placas. Los principales son los relacionados a límites convergentes. El volcanismo también ocurre en las zonas divergentes, esto no es tan evidente en la fig.2 ya que 1. gran parte del volcanismo ocurre periódicamente a través de fracturas y fisuras que no construyen volcanes en el sentido clásico, y 1. la mayoría de los márgenes divergentes están ocultos a la vista, bajo profundos océanos. Pese a esto se pueden observar mediante vehículos operados a distancia. En contraste, el volcanismo ocurre raramente en límites conservativos, aunque hay excepciones. El volcanismo que está aparentemente fuera de estos límites de placas, está referido al volcanismo intraplaca o hot spot, los cuales se originarían por el ascenso hacia la corteza de plumas de material caliente y menos denso, antagónicamente a los límites de placas tradicionales.

INFLUENCIA DE LA TECTÓNICA DE PLACAS EN LA GENERACIÓN DE LOS MAGMAS. El magma se generaría de 2 maneras en el manto (Fig3). La principal sería por descompresión simple (a T° constante). El segundo sería por una baja en el punto de fusión por adición de volátiles (agua). Se sabe que basta con un 1% de agua para que el punto de fusión descienda 40° Celsius. Descompresión en el manto es afectado por plumas y en límites divergentes. En el caso de las plumas, se originaría cerca de los dos límites físicos de la Tierra, es decir a los 670 Km. y a los 2900 Km. , el primero en el límite del manto inferior y del manto superior y el último en el límite núcleo- manto. Las plumas comprometen material desde el manto, el cual tiene mayor flotabilidad, producto de su mayor temperatura. Esta pluma sufre un ascenso adiabático y fusión parcial. Esto ocurriría a unos 200 Km. de profundidad. En el caso de los límites divergentes existe ascenso de magma, parecido a las plumas pero se diferencian de estas, por que las plumas tienen un origen mucho más profundo que en el caso de la convección que origina las dorsales meso-oceánicas. La litosfera oceánica contiene grandes cantidades de sedimentos hidratados, con gran alteración hidrotermal, la cual ocurre cerca de los centros de difusión de magmas (Dorsales). Cuando la litosfera oceánica se subducta, entrega gran cantidad de volátiles, generando contraconvección en la cuña astenosférica. Esto genera magmas ricos en agua las cuales generan erupciones más explosivas que en otras localidades tectónicas. VOLUMEN RELATIVO DE FLUJO DE MAGMAS. Las cantidades de magmas eruptados están reflejados en la fig. 4, con un 62% en los ridges oceánicos, 26% en los límites convergentes, y un 12% en los hotspots. Existen períodos específicos en la historia de la Tierra conocidos como flujos de basaltos o basaltos de intraplaca, probablemente originados por una gran pluma caliente en la base de la litosfera, los cuales pueden exceder los 4 Km. cúbicos anuales de flujo en estas localidades. VOLCANISMO EN LÍMITES DE PLACA DIVERGENTE. A. características en los ridges centro-oceánicos. Aproximadamente un 60 % de la superficie de la tierra puede ser considerada como”oceánica”. La razón de magma efusivo v/s extrusivo es del orden de 1/7, en la corteza oceánica. Además se sabe que no todo el volcanismo ocurre en la zona neovolcánica, sino en un área de 4 Km. a ambos costados del eje axial de los ridges.

Las mayores diferencias entre la morfología y estructura en las zonas divergentes de placas, está relacionada con la razón de difusión, o velocidad de expansión (Fig. 6) -. Para una difusión lenta(10-40 mm/año) (Fig.6) con poca actividad volcánica, está dominada por fallamiento normal, con un gran valle axial (8-20 Km. de ancho). Además hay predominancia de actividad sísmica sobre la actividad magmática, y gran actividad hidrotermal. También se tiene que hay predominancia en la actividad extrusiva que en la intrusiva. -. Para una rápida velocidad de expanción (80-160 mm/año), existe una estrecha depresión lineal en el eje del ridge de 40 a 25 m de ancho, con una zona neovolcánica muy reducida. También existe una predominancia de la actividad intrusiva sobre la extrusiva. -Para las zonas con velocidad de expansión intermedia, se tiene que presentan características intermedias entre las dos últimas, es decir, tienen un mayor equilibrio entre el magmatismo intrusivo y efusivo, y ademas presentan . TIPOS DE MAGMAS EN LÍMITES DIVERGENTES DE PLACA. Algunas características son: - pobres en K2O, - -presentan poca abundancia de elementos traza como Cs, Ba, Rb,U, Th, y elementos volátiles. - -Concentraciones bajas en elementos volátiles como H2O y CO2. Lo ultimo explica porque aquí son tan raras las erupciones explosivas. Cave destacar que en las proximidades de los ridges y en algunas fallas transformantes se encuentran también rocas de tipo andesitas y riodacitas, esto como resultado de la cristalización fraccionada en las cámaras magmáticas de la corteza, como también por mezcla de magmas y asimilación cortical. VOLCANÍSMO EN FALLAS TRANSFORMANTES. Recientes evidencias sugieren que existiría volcanismo en algunas fallas transformantes, en las cercanías de los ridges, en algunos centros puntuales. Tales lugares son por ejemplo: Blanco en Juan de Fuca y Siqueiros en el noreste del Pacífico, encontrándose basaltos y ferrobasaltos, y basaltos de tipo MORBs (basaltos de ridge centroceánico). VOLCANISMO EN LÍMITES CONVERGENTES DE PALCA. Tipos de magmas y volcanismo. El mecanismo para generar magma fundido en estos ambientes es por medio de la hidratación del manto o la cuña astenosférica, por medio de adición de volátiles y agua proveniente de sedimentos hidratados que sobreyacen a la corteza oceánica, lo cual baja el punto de fusión del sólido.

Las variaciones composicionales de estos magmas varían en el tiempo y en el espacio. El magmatismo temprano de los arcos oceánicos es típicamente basáltico y de composición tholeítica, mientras que el magmatismo más tardío tiende a ser más calcoalcalino, con predominancia de mayor diferenciación, con andesitas y riodacitas por ejemplo. ARCOS EXTENCIONALES VERSUS COMPRESIONALES. El estado se stress está controlado por la velocidad relativa de encuentro de estas dos placas, como también por la “juventud” de la placa oceánica. De lo último se tiene que cuando la corteza oceánica es joven, cuando se subducta tiende a flotar y el ángulo de Benioff tiende a ser pequeño y a impedir el avance de la subducción, por la gran área de contacto entre las placas. Lo anterior genera un stress compresional o extencional en la placa que cabalga la corteza oceánica (fig 11). El volcanismo es más predominante cuando la placa que cabalga sufre extensión, favoreciendo el ascenso del magma a la superficie. Caso contrario se observa en los Andes chilenos en una porción donde el ángulo de Benioff es muy pequeño, y donde existe gran compresión en el arco, con lo cual se exime de actividad volcanoclástica. VOLCANISMO INTRAPLACA. a. Plumas y su Distribución. Mientras existe una distribución de magmatismo en una larga coincidencia de límites de placa (divergentes y convergentes), examinando la fig 2, se ve que hay importantes exepciones. Las islas Hawaianas, una de las más familiares regiones con volcanismo, ocupan cientos de kilómetros desde el límite de placa hasta el centro de la placa pacífica. Hay numerosos otros ejemplos de volcanes intraplaca, hacia los continentes también, representados por ejemplo por: Yelowstone en USA, Snake River Plain en USA, y otros en el continente africano. El foco del magmatismo intraplaca está relacionado a los HOTSPOTS, y se refieren a un alto flujo de calor que asciende hasta la superficie generando magmas. Recientes estudios geofísicos revelan una disminución en la velocidad de las ondas sísmicas en el manto subyacente, relacionadas a los Hotspots, la interpretación es producto de un mayor grado de fusión en el manto. Estas observaciones sugieren un flujo de material caliente y fundido de baja densidad que proviene del manto. La fusión ocurre cuando el material que sube sufre una descompresión adiabática (Fig 3). El material que sube se le llama Pluma (fig Diapiro), y es considerada como parte de la convección del manto terrestre. La cabeza de la pluma desplaza la densa astenósfera, lo cual tiende a un alzamiento regional, adelgazamiento cortical y consecuente magmatismo. El ascenso de la pluma ocurre episódicamente, y no es regular en el tiempo. Esta pluma comienza como una inestabilidad termal profunda, conocida como límite manto-núcleo (Fig14, D”).

Morbely y Campbell (1984), en un estudio paleomagnético de la cadena HawaianaEmperador, concluye que el volcanismo de los hotspots es más prevaleciente durante los intervalos de polaridad normales del campo magnético terrestre, entonces este sería un argumento para asociar el proceso dinámico de las plumas con los procesos que ocurren en las cercanias del núcleo, sino en el mismo núcleo. Si se supone a las plumas como puntos fijos en el manto, sin importar el movimiento de las placas litosféricas, entonces los hotspots serian representados por una serie de volcanes alineados en la dirección del movimiento de las placas, siendo los volcanes más jóvenes, los que actualmente tienen actividad, y han sufrido menos erosión por el agua (Figs).

BASALTOS DE PLATEAU (Flood Basalt Provinces) Introducción. Los basaltos de plateau son productos de grandes eventos volcánicos conocidos en la Tierra. Están caracterizados por prodigiosos homogéneos volúmenes de basaltos toleíticos, eruptados en periodos geológicos muy restringidos. Estos basaltos forman extensivos plateau en todos los continentes y en todos los pisos oceánicos (Fig1.2). Las superficies de plateau resultan de grandes volúmenes de magma basáltico eruptados en fisuras de la corteza terrestre, los cuales llegan a tener decenas de metros de potencia y pueden cubrir decenas de miles de kilómetros cuadrados, a diferencia de los conos centrales y pequeños caracterizados por pequeñas erupciones. Estos depósitos formados episódicamente a través del Mesosoico y Cenozoico, pueden también encontrarse algunos del Proterozoico. Estos basaltos no están confinados a límites de placas, están asociados a los hotspots, o plumas mantélicas, las cuales son más esporádicas y mas dramáticas. Un punto caliente mantélico está anclado en el manto bajo las rígidas placas litosféricas, estos generan fusión parcial y ascenso de magma a la superficie. Como las placas se mueven sobre los puntos calientes una cadena de islas volcánicas de forman a lo largo del movimiento del piso oceánico, esto se puede observar en la cadena del Emperador y la hawaiana (fig 1.2). Los puntos calientes (mejor traducido como lugares o lunares calientes), son probablemente formados por plumas de material que asciende desde el profundo manto, y no son causantes de crear corteza nueva ya que sus erupciones son intermitentes y no triviales. El Otong Java Plateau en la India, es uno de los más grandes, ocupando el 1% de la superficie de nuestro planeta, con un volumen estimado de 10 potencia 7 de km³. Los basaltos de plateau están íntimamente ligados a el quiebre y separación de las placas tectónicas, aunque la naturaleza de estas asociaciones es controversial. Estos basaltos se dividen en cuatro categorías: (tabla 1.2) - clásicos basaltos de plateau continentales: Siberian Traps, the Karoo province of South Africa, the Parana province of South America and South Africa, the Decan Traps of India, and the Columbia River Province of the American NorthWest.

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Provincias basálticas con afinidad de basaltos de plateau: Rajmahal Traps of India, The basalts of Magadascar, and the small province of Etiopía-Afar-Yemen.

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Precámbricos: Keweenawan en USA y Copermine River.

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Plateau oceánicos: include Ontong Java in southwest Pacific, Kerguelen in the Southern India Ocean. Wrangellia wedged on to the northwestern margin of north America, and the caribean-colombian ocean flood basalt (fig1.2)

PARÁMETROS FÍSICOS. Los basaltos de plateau continentales son excepcionalmente grandes estratificaciones de basaltos toleíticos (Fig 3.2). La tabla 1.2 muestra las áreas estimadas, volúmenes y sus edades radiométricas. Un típico basalto de plateau continental tiene aprox. entre 1 y 2 millones de Km. cúbicos de volumen. La falta de sedimentación intercalada con estos flujos basálticos, como también la falta de sustancial erosión, implican que las erupciones fueron hechas sin grandes hiatos a través del tiempo. En cada provincia la mayoría de los grandes volúmenes eruptados fueros realizados entre 1 y 2 millones de años, frecuentemente durante cortos períodos, lo cual se puede ratificar con dataciones radiométricas.Más del 96% del volumen total de los basaltos de Columbia River, fueron eruptados en 1 millón de años. Lo anterior implica una velocidad de erupción de 2 Km. cúbicos al años, 50 veces más grandes que la velocidad observada en Hawai. En Columbia River plateau, los magmas fueros suplidos por sistemas de fisuras (Fig4.2), y dique de más de 100 Km. de longitud, estructuras en escudo son raros, aunque se pueden observar pequeños conos los cuales representarían las fases terminales del proceso eruptivo. Las distancias que pueden recorrer los flujos de lavas basálticas de estas estructuras son formidables, en el gran Mckenzie al norte de Canada hay cubiertos más de 3 millones de Km. cuadrados de terreno y extendidos por más de 2600 Km. desde el punto de erupción. Individuales flujos lávicos del plateau de Columbia River, muestran una muy homogénea T° de cristalización, es decir, de 0.05°C de diferencia entre la T° de erupción y la T° de cristalización en las partes distales. Esto indicaría una rápida velocidad de difusión magmática, las cuales pueden llegar a cubrir las áreas mencionadas en semanas. PARÁMETROS QUÍMICOS E ISOTÓPICOS. Uno de los más inusuales aspectos de los basaltos de plateau es la consistencia en la composición mineralógica de grandes volúmenes de lavas toleíticas, con diferencias en y entre provincias. En las grandes provincias clásicas continentales de basaltos de plateau, relativamente pequeños volúmenes de magmas alkalinos y picríticos, se asocian a los

primeros estadios del proceso, mientras que magmas más silíceos se concentran en las fases terminales. Tambien hay marcadas variaciones en las razones de algunos elementos mayoritarios, en la (Fig 6.2) se puede apreciar las variaciones de las razones TiO2 v/s P2O5 para las formaciones que componen el plateau de Columbia en USA. Cave destacar que el manto, en los hotspots como Hawai, tienen características composiciones químicas e isotópicas, tales como enriquecimiento de helio, el cual sería derivado de las profundidades del manto. Además se reconoce un enriquecimiento de el contenido de sílice en los basaltos de plateau continentales, supuestamente producido por un mayor grado de fraccionamiento por el mayor grosor cortical que este implica. BASALTOS DE PLATEAU OCEÁNICOS. Muchos de los plateau oceánicos son de mayores proporciones que sus hermanos continentales, dominados por basaltos toleíticos, eruptados en un corto período y de edades menores que el piso oceánico que los rodea.. Uno de los más grandes plateau oceánicos es el de Ontong Java de edad cretácica en el Pacífico sur. Otro importante es el de Wrangellia de edad pérmica, el cual se acrecionó al continente norteamericano por subducción. Los grandes volúmenes de los plateau oceánicos, comparados con los continentales, se puede atribuir al menor espesor cortical, ,lo cual permite un mayor volumen de fundido a la misma temperatura. IMPLICACIONES TECTÓNICAS Y MODELOS GENÉTICOS. La teoria de la tectónica de placas, aparecida en los años 70, comenzó con la observación de las placas, las cuales habrían abierto el Océano Atlántico, la separación de la Antártica de Sudáfrica, o la separación de los Seychelles desde la placa India, para lo cual estaría asociada a la formación de plumas mantélicas, las cuales serían la fuerza primaria que origina los plateau y la separación de las placas. Un modelo alternativo sugiere que los hotspots podrían estar incubados por largos períodos de tiempo bajo las cortezas continentales y oceánicas, y que sólo podrían ascender y generar erupciones cuando la corteza sea bien adelgazada por extensión. Esto implica previa extensión y adelgazamiento cortical. No se puede negar la estrecha relación entre los plateau basálticos y la extensión, y que la extensión juega un rol fundamental en la formación y ascenso de magmas, pero considerando los grandes volúmenes de magma generados en estos basaltos de plateau y en tan corto tiempo, el autor afirma que la extención es una consecuencia y no una causa de las erupciones de los basaltos de plateau. Las cabezas de las plumas podrían ser más grandes y más calientes que las colas de estas, y que estas forman las islas oceánicas. La gran diferencia de volumen entre las provincias de basaltos de plateau y los basaltos de islas oceánicas, sugiere que los flujos basálticos son el

resultado del impacto inicial de una cabeza de pluma en la litosfera oceánica, y que el magmatismo representa la cola de tal pluma. Recientes estudios geofísicos proponen que las placas subductadas llegarían hasta la interfase núcleo manto, y que la perturbación del equilibrio químico produciría el ascenso de las plumas mantélicas, pero este fenómeno aún no esta del todo claro. EFECTOS AMBIENTALES. Se sabe que estas importantes erupciones emiten grandes cantidades de dióxido de azufre (SO2) y sulfuro de hidrógeno (H2S). En la erupción de Laki en Islandia en 1784, se arrojo a la atmósfera cerca de 2 megatoneladas de SO2 por día durante un par de meses. Se estima que durante la formación del plateau de Columbia River se produjeron más de 12.000 mega toneladas de SO2. Estas y muchas otras erupciones similares trajeron consigo grandes cambios climáticos, los cuales habrían coincidido con las extinciones en mas cerca de 65.5 millones de años atrás. RESUMEN. 1. Las provincias de basaltos de plateau continentales, están caracterizadas por una gran cantidad de basaltos toleíticos, eruptados en muy coros períodos. 2. La causa fundamental de estas provincias es probablemente el choque de cabezas de plumas mantélicas en la base de la litosfera. 3. Las extención litosférica y la separación de las placas, sería un resultado y no una causa de las erupciónes de basaltos de plateau continentales, aunque esto podría ser discutible. 4. El espesor de la litósfera podría controlar el volumen de los basaltos eruptados, y podría explicar los grandes volúmenes de los basaltos de plateau oceánicos comparados con los basaltos continentales. 5. Finalmente, la coincidencia en el tiempo, de las más grandes extinciones en masa con algunas de las más grandes erupciones de basaltos de plateau, sugieren que estas extraordinarias erupciones junto con el impacto de meteoritos, hayan tenido un importante rol en la evolución biológica de nuestro planeta.