Exercicis: La teoria de la tectònica de plaques

Què és una placa litosfèrica i sobre quina capa més dúctil es desplaça? Explica la diferència entre litosfera i astenosfera.

Anomena els tres tipus de vores entre plaques litosfèriques i descriu el moviment relatiu de les plaques en cadascun d'ells.

Per què els terratrèmols i els volcans no es reparteixen a l'atzar per la superfície terrestre, sinó que es concentren en bandes estretes i allargades?

Què és l'escorça terrestre i en què es diferencia del mantell? Quina discontinuïtat els separa i com es va detectar?

Anomena almenys dues forces que contribueixen al moviment de les plaques litosfèriques, com ara l'empenyiment de la dorsal, l'arrossegament del mantell o la succió de la placa que subdueix, i descriu breument cadascuna.

Què és una fossa oceànica i en quin tipus de vora entre plaques es forma? Posa'n un exemple actual.

Compara l'escorça oceànica i la continental pel que fa a la composició dominant, la densitat, el gruix i l'edat màxima de les seves roques.

Què és un punt calent? Posa'n un exemple i explica per què el seu vulcanisme no està associat a cap vora de placa.

L'esquema mostra tres límits entre plaques (a, b i c). Identifica el tipus de límit de cada panell, descriu el moviment de les plaques que s'hi produeix i cita un exemple real de cadascun.

En una dorsal oceànica cada flanc s'allunya de l'eix a una velocitat de $2,5\ \text{cm/any}$. Calcula quants quilòmetres s'haurà eixamplat l'oceà al cap de $10\ \text{Ma}$, tenint en compte que l'eixamplament total és la suma dels dos flancs.

En un límit convergent de subducció, els terratrèmols són cada vegada més profunds en allunyar-se de la fossa cap al continent. Explica a què es deu aquesta distribució (pla de Benioff).

A la dorsal del Pacífic oriental cada flanc s'allunya de l'eix a $8\ \text{cm/any}$. Calcula quant s'haurà eixamplat aquest oceà en $5\ \text{Ma}$ i compara aquesta taxa amb la de la dorsal atlàntica, de $2,5\ \text{cm/any}$ per flanc.

Les anomalies magnètiques del fons oceànic formen bandes simètriques a banda i banda de la dorsal. Explica què registren aquestes bandes i com demostren que el fons oceànic s'expandeix.

Als arcs volcànics el magma es genera uns $100\ \text{km}$ per sobre de la placa que subdueix. Explica quin paper juga l'aigua alliberada per la placa en deshidratar-se en la fusió del mantell que la recobreix.

Als límits transformants hi ha abundants terratrèmols però gairebé gens de vulcanisme. Explica per què, relacionant-ho amb el tipus de moviment i amb el fet que allà no es crea ni es destrueix litosfera.

Dues estacions GPS situades a banda i banda d'una dorsal se separen a raó de $4\ \text{cm/any}$ en total. Estima l'edat de l'escorça oceànica situada a $240\ \text{km}$ de l'eix de la dorsal i indica la hipòtesi que fas sobre la constància de la taxa d'expansió.

Un informe tècnic preliminar per a la ubicació d'una instal·lació nuclear estratègica compara dos emplaçaments candidats: la península de Reykjanes (Islàndia) i un sector sobre el basament granític de la Meseta Central ibèrica. Un analista afirma: «Totes dues zones presenten roques ígnies abundants i formen part de la litosfera de la placa euroasiàtica, per la qual cosa la seva perillositat geològica a llarg termini ($100.000\ \text{anys}$) és equivalent».

1. a) Rebat de manera fonamentada l'afirmació de l'analista, contrastant el context geodinàmic (tipus de litosfera, règim tèrmic, esforços tectònics i proximitat a vores de placa) de tots dos llocs.
2. b) Prediu raonadament tres processos o riscos geològics que descartarien per complet l'emplaçament islandès enfront de l'estabilitat del bloc de la Meseta.
3. c) Significa la baixa sismicitat de la Meseta que no hi hagi esforços tectònics al seu interior? Justifica la teva resposta considerant la transmissió intraplaca de tensions.

En un tram de la falla de San Andrés, dues estacions GNSS (GPS geodèsic) situades a l'escorça a $15\ \text{km}$ a cada costat del traç principal no han registrat desplaçament relatiu entre si en els darrers $160\ \text{anys}$. Tanmateix, estacions regionals situades a més de $100\ \text{km}$ a banda i banda de la falla registren un moviment relatiu continu i constant de $35\ \text{mm/any}$. Així mateix, els estudis paleosísmics mostren que un ventall al·luvial quaternari de $40.000\ \text{anys}$ d'antiguitat està desplaçat lateralment a la falla un total d'$1,4\ \text{km}$.

1. a) Interpreta l'aparent discrepància entre l'absència de moviment local en els darrers $160\ \text{anys}$ i la velocitat regional mesurada per GNSS aplicant la teoria del rebot elàstic.
2. b) Comprova amb càlculs si la taxa de desplaçament geològic a llarg termini (deduïda del ventall al·luvial) és coherent amb la velocitat instantània actual obtinguda per GNSS.
3. c) Calcula el dèficit de lliscament acumulat en el pla de falla bloquejat durant aquests $160\ \text{anys}$ i prediu el desplaçament cosísmic esperable si tota aquesta deformació elàstica s'alliberés de cop en un sol terratrèmol.

A les cotes superiors de la muntanya Everest, a més de $8.000\ \text{m}$ d'altitud, afloren calcàries marines fossilíferes ordovicianes i mesozoiques (Formació Qomolangma). Per sota, el massís està constituït per gneissos, esquistos d'alt grau i leucogranits cenozoics. Dades gravimètriques i de sísmica profunda revelen que l'escorça continental sota el Tibet i l'Himàlaia assoleix un gruix de fins a $75\ \text{km}$, gairebé el doble de la mitjana continental mundial, sense que hi hagi un arc volcànic actiu associat.

1. a) Reconstrueix l'evolució geodinàmica que explica com roques formades en un fons marí somer han acabat al cim més alt del planeta, indicant els diferents tipus de límits de placa que han operat successivament a la regió.
2. b) Justifica mitjançant el principi d'isostàsia la relació existent entre l'arrel cortical de $75\ \text{km}$ i l'extraordinària elevació topogràfica de l'orogen.
3. c) A diferència dels Andes, a l'Himàlaia no s'observa magmatisme volcànic actiu tot i ser una zona d'intensa convergència i sismicitat. Justifica mecànicament i tèrmicament aquesta absència de vulcanisme.

S'analitza un tall geofísic transversal del marge pacífic sud-americà als $22^\circ\text{S}$. S'observen les següents dades empíriques:

1. Una fossa oceànica profunda amb poc rebliment sedimentari i litosfera oceànica d'uns $45\ \text{Ma}$ que subdueix amb un capbussament de $30^\circ$ cap a l'est.

2. Hipocentres sísmics alineats que arriben a profunditats de fins a $600\ \text{km}$.

3. Un arc volcànic actiu a $280\ \text{km}$ a l'est de la fossa, que emet laves predominantment andesítiques i dacítiques, riques en volàtils.

4. Una faixa encavalcada i plegada a l'avantpaís oriental (zona subandina) amb encavalcaments que escurcen i engruixeixen l'escorça continental.

1. a) Interpreta l'origen tèrmic i químic del magma de l'arc: rebat la idea intuïtiva que el magma procedeix de la simple fusió per fregament de l'escorça oceànica que subdueix i explica el paper fonamental de la deshidratació dels minerals hidratats.
2. b) Justifica per què el vulcanisme andí és eminentment andesític-dacític i altament explosiu, en contrast amb el vulcanisme efusiu basàltic de les dorsals mediocéaniques.
3. c) Prediu raonadament com evolucionaria la dinàmica tectònica i magmàtica del marge si la conca oceànica es tanqués per complet i col·lidís un microcontinent situat a la placa subduent.

La cadena Hawaii-Emperador presenta una morfologia sistemàtica: les illes del sud-est (com Hawaii) son enormes volcans en escut emergits amb cotes de fins a $4.200\ \text{m}$ i edats inferiors a $1\ \text{Ma}$. Cap al nord-oest, les illes es transformen paulatinament en atols coral·lins i, més al nord, en guyots (muntanyes submarines de cim pla submergides a més de $1.000\ \text{m}$ de profunditat amb edats de fins a $80\ \text{Ma}$). A $3.500\ \text{km}$ al nord-oest de Hawaii se situa el guyot Daikakuji, datat en $47\ \text{Ma}$, en el punt exacte on l'alineació canvia bruscament d'orientació (de NO-SE a N-S).

1. a) Explica la seqüència de processos geològics (tèrmics, isostàtics i morfosedimentaris) que transformen una illa volcànica activa en un guyot submergit a mesura que la litosfera es desplaça allunyant-se del punt calent.
2. b) Calcula la velocitat mitjana d'avanç de la placa del Pacífic entre el moment present i la formació del colze fa $47\ \text{Ma}$, expressant el resultat en $\text{cm/any}$.
3. c) Es debat si el «colze» d'Emperador reflecteix un canvi brusc en la trajectòria cinemàtica de la placa del Pacífic o el moviment propi de la ploma mantèl·lica. Quina prova geològica contrastable (analitzant altres cadenes intraplaca coetànies del Pacífic o mitjançant paleomagnetisme) permetria confirmar si va canviar la direcció de la placa?

Considera les dades geofísiques mitjanes següents sobre la litosfera i l'astenosfera:

• Litosfera oceànica acabada de crear a la dorsal: gruix $\approx 12\ \text{km}$; densitat mitjana $\approx 3,05\ \text{g/cm}^3$.

• Litosfera oceànica madura ($>60\ \text{Ma}$): gruix $\approx 100\ \text{km}$; densitat mitjana $\approx 3,35\ \text{g/cm}^3$.

• Litosfera continental típica: gruix $\approx 150\ \text{km}$; escorça de $35\ \text{km}$ (densitat $\approx 2,75\ \text{g/cm}^3$) i mantell litosfèric de $115\ \text{km}$ (densitat $\approx 3,30\ \text{g/cm}^3$); densitat mitjana global $\approx 3,17\ \text{g/cm}^3$.

• Mantell astenosfèric superior subjacent: densitat $\approx 3,25\ \text{g/cm}^3$.

1. a) A partir del principi de flotabilitat i de les dades anteriors, justifica per què una dorsal oceànica mai no pot subduir espontàniament, mentre que una litosfera oceànica vella pot col·lapsar i iniciar una subducció.
2. b) Raona per què la litosfera continental no pot subduir de manera profunda i contínua al mantell astenosfèric, i prediu quina resposta mecànica experimenta quan un marge passiu continental és arrossegat cap a una fossa de subducció.
3. c) Durant la subducció, els basalts i gàbbros de l'escorça oceànica pateixen metamorfisme d'alta pressió i baixa temperatura transformant-se en eclogita (densitat $\approx 3,50\ \text{g/cm}^3$). Justifica com incideix aquesta transformació de fase en la força d'arrossegament de la placa (slab pull).

En analitzar la sismicitat registrada en dos límits convergents diferents (Marge A: fossa de Tonga-Kermadec; Marge B: fossa de Perú-Xile als $32^\circ\text{S}$), s'observen les diferències següents:

• Al Marge A, els hipocentres es distribueixen al llarg d'un pla inclinat amb un cabussament de $60^\circ$ que penetra de manera contínua fins als $680\ \text{km}$ de profunditat.

• Al Marge B, el pla de sismicitat descendeix inicialment amb un angle de $30^\circ$ fins als $100\ \text{km}$, després es torna subhoritzontal ($<10^\circ$) durant centenars de quilòmetres terra endins i cessa per complet a profunditats superiors a $150\ \text{km}$.

A més, a escala planetària no es registra cap terratrèmol a profunditats superiors als $700\ \text{km}$, tot i que la tomografia sísmica mostra que la litosfera freda continua enfonsant-se al mantell profund.

1. a) Justifica a quins factors físics (edat de la placa oceànica, temperatura, velocitat de convergència o flotabilitat) es deuen les diferències observades en la inclinació i la profunditat dels sismes entre els dos marges.
2. b) Explica el canvi en el comportament reològic dels materials i les transformacions de fase mineralògiques que justifiquen la desaparició total de sismes per sota dels $700\ \text{km}$.
3. c) Si una estació sismològica se situa al Marge A a $180\ \text{km}$ de distància de la fossa cap a l'arc, prediu raonadament l'interval de profunditat (superficial, intermedi o profund) en què detectarà els terratrèmols provocats directament per la placa en subducció sota els seus peus.

El mapa sismotectònic de la península Ibèrica mostra una acusada heterogeneïtat: al sector Bètic-Rifeny i l'arc de Gibraltar es concentra una sismicitat contínua amb sismes destructius periòdics (com els d'Arenas del Rey el 1884 o Lorca el 2011), mentre que l'interior de la Meseta Central es considera pràcticament assísmic. Això no obstant, els mesuraments GNSS demostren que la placa africana avança cap al NO respecte a Euràsia a una velocitat constant de $4\text{ a }5\ \text{mm/any}$.

1. a) Justifica per què el contacte geodinàmic entre Euràsia i l'Àfrica al sud d'Ibèria no es manifesta com una única falla discreta o una fossa clàssica, sinó com una «frontera difusa» de deformació cortical de centenars de quilòmetres d'amplada.
2. b) A les Serralades Bètiques coexisteixen falles de desgarrament i falles inverses actives. Explica mecànicament la coexistència d'ambdós tipus de falles a partir del règim compressiu oblic induït per la cinemàtica de plaques.
3. c) Es pot considerar que la probabilitat que es produeixi un terratrèmol a l'interior de la Meseta Central és absolutament nul·la? Justifica la teva resposta considerant la transmissió intraplaca de tensions tectòniques i la reactivació de falles tardihercinianes.