Exercicis: El cicle de Wilson

Què és el cicle de Wilson? Indica amb quin procés geològic comença i amb quin esdeveniment acaba.

La mar Roja i l'oceà Atlàntic representen etapes diferents del cicle de Wilson. Indica quin dels dos està en una etapa més inicial i justifica la teva resposta.

Què és un rift continental i en quin tipus de límit entre plaques s'origina?

Quins dos tipus de límits entre plaques intervenen, respectivament, en l'obertura i en el tancament d'un oceà dins del cicle de Wilson? Justifica la teva resposta.

Què és una dorsal oceànica i en quines etapes del cicle de Wilson apareix? Quin tipus de roca s'hi genera?

L'Atlàntic es considera un oceà «madur». Cita dues característiques que justifiquen aquesta consideració, com ara la seva amplada o el tipus de marges que el voregen.

Què és un marge continental passiu i en què es diferencia d'un marge actiu? Relaciona cada tipus amb una etapa del cicle de Wilson.

Quina edat màxima tenen les roques del fons oceànic actual i per què no existeixen fons oceànics tan antics com els nuclis més vells dels continents?

Les cinc vinyetes de l'esquema (a–e) mostren, desordenades, cinc etapes del cicle de Wilson. Ordena-les cronològicament, des de l'obertura d'un rift fins a la formació d'una serralada, i cita un exemple actual de cada etapa.

L'oceà Pacífic és el més extens del planeta i, tanmateix, se'l considera un oceà «en regressió» dins del cicle de Wilson. Explica què passa als seus marges que justifica aquesta afirmació.

Quan la subducció consumeix del tot el fons oceànic que separa dos continents, quin esdeveniment posa fi al cicle i quin tipus de relleu es genera? Posa'n un exemple actual.

La vall del Rift de l'Àfrica oriental mostra vulcanisme, fosses tectòniques i llacs allargats. Explica quina etapa del cicle de Wilson representa i què podria arribar a passar si la distensió continua durant milions d'anys.

Les ofiolites són talls d'escorça i mantell oceànics incorporats a les serralades. Explica què són, com van arribar a terra ferma (obducció) i què demostren sobre l'existència d'oceans desapareguts.

Un oceà s'obre a raó de $3\ \text{cm/any}$ per cada flanc durant $60\ \text{Ma}$. Calcula l'amplada assolida al final d'aquest període, expressada en quilòmetres, i comenta a quin oceà actual s'aproximaria.

A les sutures d'antigues col·lisions es descriuen melanges, ofiolites i roques metamòrfiques d'alta pressió. Explica què és una zona de sutura i per què aquests tres elements delaten un oceà tancat.

El Mediterrani conserva subducció activa a Calàbria i a l'arc hel·lènic. Situa aquest mar dins del cicle de Wilson i explica quines evidències permeten assignar-li aquesta etapa.

Un equip de prospecció geològica cartografia a l'interior d'una massa cratònica continental una franja lineal d'uns quants centenars de quilòmetres on coexisteixen:

1. Una alineació de peridotites serpentinitzades, gabres bandats i laves en coixí encaixades entre sediments pelàgics deformats.

2. Esquistos blaus i eclogites amb granat que marquen metamorfisme d'alta pressió i baixa temperatura ($P > 1,5\ \text{GPa}$, $T < 450\ ^\circ\text{C}$).

3. A banda i banda d'aquesta banda, roques sedimentàries de plataforma continental soma amb fòssils marins paleozoics que pertanyen a províncies biològiques completament diferents i sense connexió entre si.

1. a) Demostra, raonant a partir de cadascuna d'aquestes tres evidències, per què aquesta alineació representa una zona de sutura fòssil corresponent al tancament complet d'un cicle de Wilson (com als Urals o als Apalatxes) i no pas una simple fractura intraplaca o rift continental incipient.
2. b) Reconstrueix la cronologia relativa dels processos tectònics que van tenir lloc en aquesta regió, explicant quines dades addicionals (per exemple, la posició de restes d'un arc magmàtic o d'un prisma d'acreció respecte a la sutura) permetrien establir la polaritat inicial de la subducció i analitzant el paper de la flotabilitat de la litosfera en la culminació de l'orogen.

S'analitzen dos sondejos a l'escorça oceànica de l'Atlàntic nord al llarg d'un perfil perpendicular a la dorsal mesoatlàntica:

• Sondeig A ($600\ \text{km}$ a l'oest de l'eix): escorça basàltica datada en $40\ \text{Ma}$, coberta per $250\ \text{m}$ de sediments pelàgics.

• Sondeig B ($1\,800\ \text{km}$ a l'oest de l'eix, vora el marge passiu nord-americà): escorça basàltica datada en $150\ \text{Ma}$, coberta per $3\,200\ \text{m}$ de sediments.

Un estudiant afirma que, com que l'escorça a B és gairebé quatre vegades més vella que a A, la taxa d'expansió de la conca s'havia d'haver quadruplicat en els darrers $40\ \text{Ma}$.

1. a) Avalua críticament l'afirmació de l'estudiant calculant i comparant les taxes mitjanes de semiexpansió en els intervals $0-40\ \text{Ma}$ i $40-150\ \text{Ma}$. S'ha mantingut aproximadament constant la dinàmica d'obertura?
2. b) Justifica per què el gruix sedimentari a B és més de dotze vegades superior al d'A (no proporcional només a l'edat), relacionant-ho amb la subsidència tèrmica de la litosfera oceànica a mesura que madura en el cicle de Wilson.
3. c) Al marge B la litosfera oceànica ja és més densa que l'astenosfera subjacent. Per què no subdueix espontàniament de manera immediata? Explica quin llindar mecànic s'ha de superar per passar a la fase de tancament.

El mar Mediterrani se sol classificar en el cicle de Wilson com una conca en etapa de senescència o recés terminal. Tanmateix, les dades geodinàmiques actuals mostren una aparent contradicció:

1. Al Mediterrani oriental persisteixen relictes de litosfera oceànica mesozoica consumint-se a la fossa Hel·lènica.

2. Al Mediterrani occidental (mar Tirrè i conca Balear) hi ha petites conques amb escorça oceànica molt jove (menor de $10\ \text{Ma}$) i aprimament litosfèric actiu.

3. La convergència entre l'Àfrica i Euràsia és molt lenta (tot just $4-5\ \text{mm/any}$ cap al NO).

1. a) Resol l'aparent paradoxa: com pot coexistir l'obertura de conques oceàniques de retroarc amb un context global de tancament i convergència continental?
2. b) Prediu l'evolució geodinàmica del Mediterrani en els pròxims $50\ \text{Ma}$: detalla què passarà amb els relictes oceànics, amb les conques marginals i quin tipus d'orogen resultarà de la col·lisió final entre el nord d'Àfrica i el sud d'Europa.
3. c) Quins tipus de roques i quines estructures tectòniques esperes trobar en el futur orogen com a testimonis de l'antic fons oceànic i de l'arc volcànic eòlic actual?

El perfil geològic transversal d'un marge continental atlàntic típic revela la següent superposició tectonoestratigràfica:

• A la base, falles normals lístriques que delimiten blocs basculats (semigràbens) reomplerts de sèries continentals vermelles ('red beds') i evaporites del Triàsic superior-Juràssic inferior.

• Per sobre, segellant les falles i cobrint en discordança tant els blocs continentals com l'escorça oceànica basàltica adjacent, es disposa una falca potent de sediments marins siliciclàstics i carbonatats no deformats del Cretaci i Cenozoic.

1. a) Dedueix a quines etapes del cicle de Wilson corresponen la seqüència sedimentària basal ('syn-rift') i la seqüència superior ('post-rift' o 'drift'), justificant quins canvis en el règim tèrmic i en l'estat d'esforços expliquen aquesta transició.
2. b) Un model geodinàmic planteja que en els pròxims $30\ \text{Ma}$ aquest marge passiu es transformarà en un marge actiu per subducció espontània. Discuteix la viabilitat mecànica d'aquest procés: quines forces resistents impedeixen el trencament litosfèric i en quina zona concreta del marge és més probable que es desacobli la placa per nuclear una subducció?
3. c) Prediu la seqüència d'esdeveniments tectònics, magmàtics i metamòrfics que patiria aquest marge si s'hi instal·lés una zona de subducció amb vergència cap al continent abans de la col·lisió final.

En una transversal dels Alps Centrals i Occidentals s'identifiquen tres grans conjunts tectònics superposats en forma de mantells de corriment:

1. A la base, làmines d'escorça continental europea deformada amb metamorfisme de pressió intermèdia.

2. Cavalcant sobre l'escorça europea, un complex d'esquistos verds, esquistos blaus i eclogites amb peridotites serpentinitzades i metaradiolarites.

3. A la cúspide, encavalcaments amb roques continentals procedents del microcontinent d'Apúlia (promontori africà).

1. a) Interpreta l'origen del conjunt intermedi: per què coexisteixen roques de fàcies eclogítica (alta pressió i baixa temperatura) amb seqüències d'afinitat oceànica, i quina etapa del cicle de Wilson documenten?
2. b) Justifica per què a la serralada alpina no hi ha en l'actualitat vulcanisme actiu de subducció (a diferència dels Andes), deduint en quin moment exacte del cicle de Wilson es troben avui els Alps.
3. c) Atès que la litosfera oceànica és densa i tendeix a enfonsar-se al mantell, explica mitjançant quin mecanisme físic van aconseguir fragments de l'antic fons marí de Tetis ascendir a més de $3\,000\ \text{m}$ d'altitud a la serralada en lloc de ser subduïts per complet.

Sota una serralada de col·lisió recent de $4\,000\ \text{m}$ d'altitud mitjana, els perfils de refracció sísmica situen la discontinuïtat de Mohorovičić a $65\ \text{km}$ de profunditat. Al crató adjacent no deformat, el Moho es troba a $35\ \text{km}$ i el relleu està al nivell del mar. Considera densitats mitjanes constants de $\rho_c = 2\,700\ \text{kg/m}^3$ per a l'escorça i $\rho_m = 3\,300\ \text{kg/m}^3$ per al mantell litosfèric.

1. a) Aplica el principi d'isostàsia d'Airy per comprovar si la serralada està en equilibri isostàtic. Calcula analíticament quina arrel cortical ($r$) requeriria un relleu de $4\,000\ \text{m}$ i compara el gruix cortical teòric total amb l'observat sísmicament.
2. b) Durant els següents $40\ \text{Ma}$, l'erosió retira un gruix de roca superficial de $3\,000\ \text{m}$. Considerant únicament la resposta isostàtica d'Airy a aquesta descàrrega, sense incloure el reajustament de l'excés d'arrel detectat en el primer apartat, demostra per què la serralada no perdrà $3\,000\ \text{m}$ d'altitud mitjana: calcula el valor del rebot isostàtic compensador i l'altitud final resultant.
3. c) Raona quines conseqüències petrològiques i estructurals té aquest procés a molt llarg termini sobre l'arrel orogènica: quines roques i quines fàcies metamòrfiques afloraran quan la serralada quedi convertida en una peniplana?

Un vaixell oceanogràfic enregistra anomalies magnètiques i perfils batimètrics al llarg d'un transecte de $900\ \text{km}$ des d'una dorsal oceànica fins al talús continental d'una conca sense fosses marines. Les dades revelen:

1. La taxa mitjana de semiexpansió a la dorsal ha estat constant i igual a $1,5\ \text{cm/any}$.

2. A $900\ \text{km}$ de l'eix, la litosfera oceànica té una edat calculada i un gruix tèrmic de $90\ \text{km}$, havent-se refredat fins a adquirir una densitat superior a la de l'astenosfera subjacent.

3. El contacte entre l'escorça oceànica i la continental no presenta sisme ni deformació per cisalla.

1. a) Calcula l'edat de l'escorça en el contacte i dedueix en quina etapa del cicle de Wilson es troba la conca, justificant per què l'absència de fosses no contradiu que la litosfera oceànica sigui ja gravitatòriament inestable.
2. b) Suposa que els esforços compressius intraplaca indueixen la ruptura del marge i l'inici de la subducció. Prediu els canvis successius que s'enregistraran en la batimetria del marge, en el règim tèrmic i en l'estil de deformació de l'escorça continental adjacent.
3. c) Com variarà la velocitat neta de desplaçament de la placa oceànica a partir del moment en què l'extrem litosfèric fred penetri profundament a l'astenosfera? Justifica-ho comparant les forces d'empenyiment de dorsal ('ridge push') i d'arrossegament de placa ('slab pull').

Compara dos sectors convergents del marge de l'oceà Pacífic:

• Sector A (Fossa de les Marianes): subdueix litosfera oceànica juràssica ($\approx 160\ \text{Ma}$); fossa propera als $11\,000\ \text{m}$; angle del pla de Benioff $>70^\circ$; sismicitat d'acoblament moderada i conca de rerearc en extensió activa amb litosfera oceànica nova.

• Sector B (Fossa de Xile central): subdueix litosfera oceànica miocena ($\approx 20\ \text{Ma}$); fossa de $8\,000\ \text{m}$; angle de Benioff de $20^\circ-30^\circ$; megaterratrèmols de contacte interplaca i un orogen continental elevat amb forta compressió.

1. a) Justifica com l'edat i la densitat tèrmica de la placa que subdueix determinen les diferències en l'angle del pla de Benioff, la profunditat de la fossa i el règim tectònic del rerearc entre ambdós sectors.
2. b) Explica el mecanisme termodinàmic exacte que desencadena la fusió parcial al mantell superior sota l'arc d'illes de les Marianes, rebatent la idea errònia que 'el magma procedeix de la fusió per fregament de l'escorça oceànica que subdueix'.
3. c) A partir del balanç entre la creació de litosfera a les dorsals pacífiques i la seva destrucció a les vores convergents que el delimiten, justifica per què el Pacífic exemplifica l'etapa de recés del cicle de Wilson i prediu la reorganització paleogeogràfica global quan es consumeixi la seva conca.