Exercicis: La tectònica de plaques i el relleu

Què és una placa litosfèrica i sobre quina capa es desplaça? Indica quina força es considera avui el motor principal del seu moviment.

Anomena els tres tipus de vores entre plaques litosfèriques i posa un exemple real de cadascun (una serralada, una dorsal o una falla conegudes).

Distingeix hipocentre i epicentre d'un terratrèmol, i explica què mesura l'escala de magnitud (moment) enfront de l'escala d'intensitat macrosísmica.

Anomena almenys sis grans plaques litosfèriques i indica en quina es troba la península Ibèrica i amb quina placa contacta al sud.

Explica què és la litosfera, de quines capes està formada i per què es comporta de manera rígida en desplaçar-se sobre l'astenosfera.

Descriu el moviment relatiu de les plaques en cada tipus de vora (divergent, convergent i transformant) i indica quin procés domina en cadascun (creació, destrucció o conservació de litosfera).

Què és una falla transformant? Posa l'exemple més conegut (la falla de San Andrés) i explica quines plaques separa i en quin sentit es mouen.

Explica per què els terratrèmols i els volcans no es reparteixen a l'atzar pel planeta sinó que dibuixen cinturons estrets, i posa com a exemple el «cinturó de foc» del Pacífic.

Explica què passa en una dorsal oceànica i en una fossa de subducció, indicant en quin dels dos llocs es crea litosfera oceànica nova i en quin es destrueix.

La península Ibèrica registra terratrèmols malgrat no estar sobre una vora de placa neta. Explica el paper del contacte entre les plaques euroasiàtica i africana (Açores-Gibraltar) en la sismicitat del sud i de l'est peninsulars.

L'esquema mostra els tres tipus de vores entre plaques litosfèriques. a) Indica quin tipus de vora està ocult sota el signe «?» i descriu el moviment relatiu de les seves plaques. b) Posa un exemple real de cadascuna de les tres vores. c) Assenyala en quina es crea escorça oceànica nova i en quina es destrueix.

Dos terratrèmols de la mateixa magnitud tenen lloc sota una mateixa regió, un a $30\ \text{km}$ de profunditat i un altre a $300\ \text{km}$. Raona quin causarà més danys en superfície i per què, explicant com s'atenuen les ones sísmiques amb la distància que recorren.

Quan dos continents xoquen, cap dels dos pot subduir amb facilitat. Explica què passa amb l'escorça en aquesta col·lisió (escurçament, engruiximent, encavalcaments), quin relleu en resulta i posa l'exemple de l'Himàlaia.

Defineix orogen i descriu les fases del cicle orogènic des d'una conca marina que acumula sediments fins a una serralada erosionada, aplicant-ho al cas dels Pirineus.

La fossa de les Mariannes arriba a gairebé $11\ \text{km}$ de profunditat. Explica quin procés tectònic forma les fosses oceàniques, què li passa allà a la litosfera que s'enfonsa i per què al seu costat sol haver-hi arcs d'illes volcàniques.

Esquematitza amb paraules el perfil d'una vora convergent oceà-oceà (fossa, arc volcànic insular, conca de rerearc) i explica l'origen de cadascun d'aquests tres elements i la seva relació amb la subducció.

Considera les dades següents de dos sismes històrics a la península Ibèrica:

• Sisme A (Lisboa, 1755): Magnitud estimada $M_w \approx 8{,}5$; focus submarí al sud-oest del cap de Sant Vicent a uns $40\ \text{km}$ de profunditat; va generar un tsunami transoceànic que va assolar les costes del golf de Cadis i va produir l'esfondrament d'edificis a Madrid i Salamanca.

• Sisme B (Llorca, 2011): Magnitud moderada $M_w = 5{,}1$; focus a terra a només $1{,}5\ \text{km}$ de profunditat a la falla d'Alhama de Múrcia; acceleració sísmica rècord de $0{,}37\ g$; va causar $9$ víctimes mortals i greus col·lapses a la localitat, però a $30\ \text{km}$ amb prou feines es va apreciar.

1. a) Justifica el context geodinàmic específic de cada esdeveniment sísmic a partir del moviment relatiu entre les plaques Euroasiàtica i Africana (límit difús transpressiu al sud-oest enfront de sistema de falles d'esquinçament de les serralades Bètiques al sud-est).
2. b) Un redactor de notícies afirma: «L'impacte destructor d'un terratrèmol depèn únicament de la seva magnitud en l'escala de Richter». Rebat científicament aquesta afirmació analitzant com van influir en cada cas la profunditat focal, l'atenuació de les ones amb la distància, l'acceleració de pic del terra i l'exposició/vulnerabilitat estructural.

Actualment, la litosfera oceànica de l'Atlàntic s'expandeix a uns $2{,}5\ \text{cm/any}$ a partir de la seva dorsal, mentre que els seus marges continentals són gairebé íntegrament passius. En contrast, el Mediterrani representa una conca relicta on les restes de l'escorça oceànica del mar de Tetis subdueixen activament sota el sud d'Europa a un ritme de convergència d'uns $5\ \text{mm/any}$.

1. a) Prediu raonadament l'evolució geodinàmica dels marges atlàntic-ibèric i nord-americà: explica quin canvi físic crític experimentarà la litosfera oceànica a mesura que s'allunyi de la dorsal i es refredi, i dedueix quina nova estructura de vora de placa es formarà de manera espontània perquè l'oceà Atlàntic iniciï el seu tancament dins del cicle de Wilson.
2. b) Dissenya un model tectònic per al mar Mediterrani d'aquí a $40-50$ milions d'anys: dedueix quin relleu resultant reemplaçarà la conca marina actual després de la col·lisió continental definitiva entre Àfrica i Euràsia, quines estructures geològiques de deformació predominaran a la zona de sutura i com afectarà aquest tancament a l'intercanvi termohalí entre l'Atlàntic i l'Índic.

Un observatori sismològic registra dos esdeveniments sísmics en una mateixa província:

• Sisme 1: Magnitud $M_w = 7{,}0$; hipocentre a $60\ \text{km}$ de profunditat en una zona rural muntanyosa. La ciutat més propera es troba a $90\ \text{km}$, fonamentada sobre massissos de granit competent i amb edificacions construïdes sota normativa sismoresistent.

• Sisme 2: Magnitud $M_w = 5{,}0$; hipocentre a només $2\ \text{km}$ de profunditat, situat sota un nucli urbà històric aixecat sobre una plana al·luvial no consolidada.

1. a) L'energia alliberada per un sisme es regeix per la relació $\log E = 4{,}8 + 1{,}5 M_w$. Calcula de manera justificada quantes vegades més energia mecànica va alliberar el Sisme 1 que el Sisme 2.
2. b) A la ciutat propera al Sisme 1 la intensitat registrada va ser de grau IV (àmpliament sentit, sense danys), mentre que al nucli urbà del Sisme 2 la intensitat va assolir el grau VIII (danys estructurals greus i col·lapses parcials). Interpreta aquesta aparent discrepància explicant el paper de la distància hipocentral (atenuació geomètrica), l'«efecte de lloc» per amplificació d'ones en指向sediments tous i la vulnerabilitat de les construccions.

Analitza els tres fets geofísics següents:

1. La distància entre la cresta de la dorsal del Pacífic Oriental i la fossa de subducció del Japó és d'aproximadament $10\,000\ \text{km}$, i la placa del Pacífic es desplaça cap a l'oest a una velocitat mitjana constant de $8\ \text{cm/any}$.

2. Cap sondeig oceànic profund del projecte IODP ha trobat mai escorça oceànica basàltica in situ amb una edat superior a uns $180-200\ \text{Ma}$.

3. Als cratons continentals (com l'escut de Groenlàndia o l'escut Canadenc) afloren roques de més de $3\,800\ \text{Ma}$ d'antiguitat.

1. a) Calcula el temps (en milions d'anys) que triga una porció de litosfera basàltica a viatjar des de la seva formació a la dorsal del Pacífic fins a la seva subducció a la fossa. Avalua si el resultat obtingut és coherent amb l'edat màxima observada als fons marins mundials.
2. b) Justifica, a partir de les propietats físiques i petrològiques de la litosfera oceànica enfront de la continental (densitat mitjana, gruix cortical, temperatura i comportament isostàtic durant el refredament tèrmic), per què la litosfera oceànica és efímera i es recicla contínuament al mantell, mentre que la litosfera continental no pot subduir de manera massiva i roman durant milers de milions d'anys.

El 26 de desembre de 2004, un terratrèmol de $M_w = 9{,}1$ davant la costa occidental de Sumatra va generar un tsunami de proporcions catastròfiques. En canvi, grans terratrèmols de magnitud $M_w > 7{,}5$ associats a falles transformants (com la de San Andrés o la fractura transformant d'Açores-Gibraltar) pràcticament mai no originen tsunamis destructius en camp llunyà.

1. a) Mitjançant la teoria del rebot elàstic, explica pas a pas la deformació mecànica que pateix el prisma d'acreció i la placa superior en una zona de subducció abans i durant la ruptura sísmica, i justifica per què aquest desplaçament cosísmic genera una ona marina catastròfica mentre que una falla transformant pura de desplaçament horitzontal no ho fa.
2. b) Un tsunami en aigües obertes es comporta com una ona somera la velocitat de la qual s'aproxima mitjançant $v = \sqrt{g \cdot h}$ ($g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$; $h$ = profunditat marina). Si la profunditat mitjana a l'Índic és de $4\,000\ \text{m}$, calcula la velocitat de propagació del tsunami en alta mar (en $\text{km/h}$). A continuació, prediu què passarà amb la velocitat, la longitud d'ona i l'amplitud de l'ona quan aquesta arribi a una badia costanera amb només $10\ \text{m}$ de profunditat, justificant el principi físic de conservació del flux d'energia implicat.
3. c) Dissenya i justifica l'estructura d'un sistema d'alerta primerenca davant tsunamis: explica per què no n'hi ha prou de detectar l'ona sísmica mitjançant sismògrafs terrestres i és imprescindible incorporar sensors de pressió de fons oceànic connectats a boies superficials (xarxes tipus DART).

La dorsal mesoatlàntica sol estar submergida a uns $2\,500\ \text{m}$ de profunditat, però a Islàndia s'eleva formant una extensa illa emergida l'escorça de la qual assoleix entre $30$ i $40\ \text{km}$ de gruix (unes quatre vegades el gruix de l'escorça oceànica normal).

1. a) Justifica geodinàmicament aquesta anomalia orogràfica i cortical explicant la interacció entre dos mecanismes endògens independents: un límit de placa divergent i un plomall mantèl·lic profund (punt calent). Quin procés fisicoquímic al mantell superior genera un volum tan extraordinari de magma basàltic sota Islàndia?
2. b) A la vall de Thingvellir s'aprecia una fossa tectònica o graben travessada per grans fissures obertes (com Almannagjá). Dedueix el règim d'esforços que actua a la zona, el tipus cinemàtic de les falles que delimiten la vall i prediu què passarà amb l'amplada d'Islàndia si la taxa de separació de $2\ \text{cm/any}$ es manté durant els pròxims $5$ milions d'anys.
3. c) Islàndia presenta gradients geotèrmics locals de fins a $150-200\ ^\circ\text{C/km}$ (enfront dels $30\ ^\circ\text{C/km}$ de l'escorça continental mitjana). Avalua els riscos geològics (sismicitat induïda, emissions de gasos magmàtics, deformació volcànica) que s'han de considerar en perforar pous geotèrmics d'alta entalpia a les proximitats de cambres magmàtiques actives.

El mar Roig i el golf de Califòrnia són dos exemples clàssics de conques oceàniques en fase juvenil. A l'eix central del mar Roig ja es detecten anomalies magnètiques simètriques de fons basàltic, salmorres hidrotermals metal·líferes a més de $60\ ^\circ\text{C}$ i una taxa de divergència d'$1{,}5\ \text{cm/any}$. Paral·lelament, la península de Baixa Califòrnia se separa del continent americà a un ritme de $4{,}5\ \text{cm/any}$ combinant extensió i estripament lateral.

1. a) Analitza l'evolució reològica, isostàtica i estructural de la litosfera durant la transició d'un rift intracontinental (etapa tipus Vall del Rift de l'Àfrica Oriental) a un oceà juvenil (etapa mar Roig). Explica en quin moment exacte es produeix la ruptura litosfèrica completa («continental breakup») i com canvia el tipus de vulcanisme i sedimentació associats.
2. b) Un geòleg afirma que les salmorres càlides i les anomalies magnètiques lineals i simètriques del mar Roig demostren que allà ja opera una dorsal oceànica en miniatura. Justifica la validesa científica d'ambdós indicis.
3. c) Prediu raonadament la configuració paleogeogràfica de la regió de Baixa Califòrnia d'aquí a $30$ milions d'anys si continua el desplaçament actual: dedueix la posició relativa de la península, la naturalesa de l'escorça marina que la separarà d'Amèrica del Nord i el destí estructural de la falla de San Andrés.

Tot i que la col·lisió orogènica principal entre Ibèria i Euràsia va finalitzar fa més de $20\ \text{Ma}$ i els mesuraments GNSS/GPS actuals registren una taxa d'escurçament tectònic horitzontal gairebé inapreciable ($< 0{,}3\ \text{mm/any}$), els perfils d'anivellament geodèsic revelen que la zona axial dels Pirineus continua elevant-se verticalment a un ritme net de $0{,}5$ a $1{,}2\ \text{mm/any}$.

1. a) Resol aquesta aparent paradoxa: si la convergència tectònica activa no és la causa motriu principal de l'aixecament actual, justifica quin mecanisme físic endogen —basat en el model d'isostàsia d'Airy i la presència d'una profunda arrel cortical— impulsa l'elevació de la serralada a mesura que els agents externs l'erosionen.
2. b) En una vall pirinenca s'identifica una seqüència esglaonada de quatre terrasses fluvials encaixades a la roca mare. La terrassa superior (T1) se situa a $+120\ \text{m}$ sobre el llit fluvial actual i el seu sediment al·luvial ha estat datat en $150\,000$ anys. Calcula la taxa mitjana d'encaixament fluvial (en $\text{mm/any}$) i interpreta què ens revela aquesta dada sobre l'equilibri entre la incisió fluvial i l'aixecament de la serralada durant el Quaternari.
3. c) Rebat la següent afirmació: «Com que l'erosió desmantella milers de tones de roca a l'any, els Pirineus quedaran reduïts a una peniplana al nivell del mar en uns pocs milions d'anys». Explica el paper de la compensació isostàtica retardada en la longevitat del relleu muntanyós.