Exercícios: A teoria da tectónica de placas

O que é uma placa litosférica e sobre que camada com comportamento mais dúctil se desloca? Explica a diferença entre litosfera e astenosfera.

Indica os três tipos de limites entre placas litosféricas e descreve o movimento relativo das placas em cada um deles.

Por que razão os sismos e os vulcões não se distribuem aleatoriamente pela superfície terrestre, concentrando-se antes em faixas estreitas e alongadas?

O que é a crosta terrestre e em que difere do manto? Que descontinuidade os separa e como foi identificada?

Indica pelo menos duas forças que contribuem para o movimento das placas litosféricas, tais como a impulsão nas dorsais, o arrastamento pelo manto convectivo ou a tração da placa em subducção, e descreve sucintamente cada uma delas.

O que é uma fossa oceânica e em que tipo de limite entre placas se origina? Apresenta um exemplo atual.

Compara a crosta oceânica com a crosta continental no que respeita à composição dominante, à densidade, à espessura e à idade máxima das suas rochas.

O que é um ponto quente (hotspot)? Apresenta um exemplo e explica por que razão o seu vulcanismo não se encontra associado a nenhum limite de placa.

O esquema mostra três limites entre placas (a, b e c). Identifica o tipo de limite de cada painel, descreve o movimento das placas que nele ocorre e refere um exemplo real de cada um.

Numa dorsal oceânica, cada flanco afasta-se do eixo a uma velocidade de $2,5\ \text{cm/año}$. Calcula quantos quilómetros se terá alargado o oceano ao fim de $10\ \text{Ma}$, tendo em conta que o alargamento total é a soma dos dois flancos.

Num limite convergente de subdução, os sismos são cada vez mais profundos à medida que se afastam da fossa em direção ao continente. Explica a que se deve esta distribuição (plano de Benioff).

Na dorsal do Pacífico oriental, cada flanco afasta-se do eixo a $8\ \text{cm/año}$. Calcula quanto se terá alargado esse oceano em $5\ \text{Ma}$ e compara essa taxa com a da dorsal atlântica, de $2,5\ \text{cm/año}$ por flanco.

As anomalias magnéticas do fundo oceânico formam bandas simétricas de ambos os lados da dorsal. Explica o que registam essas bandas e como demonstram que o fundo oceânico se expande.

Nos arcos vulcânicos, o magma é gerado cerca de $100\ \text{km}$ acima da placa em subdução. Explica que papel desempenha a água libertada pela placa ao desidratar-se na fusão do manto sobrejacente.

Nos limites conservantes ou transformantes ocorrem sismos frequentes, mas praticamente não há vulcanismo. Explica porquê, relacionando este facto com o tipo de movimento e com a ausência de criação ou destruição de litosfera nesse local.

Duas estações de GPS situadas em lados opostos de uma dorsal afastam-se a uma taxa de $4\ \text{cm/año}$ no total. Estima a idade da crosta oceânica situada a $240\ \text{km}$ do eixo da dorsal e indica a hipótese que assumes relativamente à constância da taxa de expansão.

Um relatório técnico preliminar para a localização de uma instalação nuclear estratégica compara dois locais candidatos: a península de Reykjanes (Islândia) e um setor sobre o soco granítico do Maciço Hespérico (Portugal). Um analista afirma: «Ambas as zonas apresentam rochas ígneas abundantes e fazem parte da litosfera da placa euroasiática, pelo que a sua perigosidade geológica a longo prazo ($100\,000\ \text{anos}$) é equivalente».

1. a) Refuta de forma fundamentada a afirmação do analista, contrastando o contexto geodinâmico (tipo de litosfera, regime térmico, tensões tectónicas e proximidade a limites de placas) de ambos os locais.
2. b) Prevê fundamentadamente três processos ou riscos geológicos que descartariam por completo o local islandês face à estabilidade do bloco do Maciço Hespérico.
3. c) A baixa sismicidade do Maciço Hespérico significa que não existem tensões tectónicas no seu interior? Justifica a tua resposta considerando a transmissão intraplaca de tensões.

Num troço da falha de San Andreas, duas estações GNSS (GPS geodésico) situadas na crosta a $15\ \text{km}$ de cada lado do traço principal não registaram deslocamento relativo entre si nos últimos $160\ \text{anos}$. No entanto, estações regionais situadas a mais de $100\ \text{km}$ de ambos os lados da falha registam um movimento relativo contínuo e constante de $35\ \text{mm/ano}$. Da mesma forma, os estudos paleossísmicos mostram que um leque aluvial quaternário de $40\,000\ \text{anos}$ de idade está deslocado lateralmente na falha um total de $1,4\ \text{km}$.

1. a) Interpreta a aparente discrepância entre a ausência de movimento local nos últimos $160\ \text{anos}$ e a velocidade regional medida por GNSS aplicando a teoria do ressalto elástico.
2. b) Verifica com cálculos se a taxa de deslocamento geológico a longo prazo (deduzida do leque aluvial) é coerente com a velocidade instantânea atual obtida por GNSS.
3. c) Calcula o défice de deslizamento acumulado no plano de falha bloqueado durante esses $160\ \text{anos}$ e prevê o deslocamento cossísmico expectável se toda essa deformação elástica fosse libertada subitamente num único sismo.

Nas cotas superiores do monte Evereste, a mais de $8\,000\ \text{m}$ de altitude, afloram calcários marinhos fossilíferos ordovícicos e mesozoicos (Formação Qomolangma). Abaixo, o maciço é constituído por gnaisses, micaxistos de alto grau e leucogranitos cenozoicos. Dados gravimétricos e de sísmica profunda revelam que a crosta continental sob o Tibete e os Himalaias atinge uma espessura de até $75\ \text{km}$, quase o dobro da média continental mundial, sem que exista um arco vulcânico ativo associado.

1. a) Reconstrói a evolução geodinâmica que explica como rochas formadas num fundo marinho pouco profundo acabaram no cume mais alto do planeta, indicando os diferentes tipos de limites de placas que operaram sucessivamente na região.
2. b) Justifica através do princípio da isostasia a relação existente entre a raiz cortical de $75\ \text{km}$ e a extraordinária elevação topográfica do orógeno.
3. c) Ao contrário dos Andes, nos Himalaias não se observa magmatismo vulcânico ativo, apesar de ser uma zona de intensa convergência e sismicidade. Justifica mecânica e termicamente esta ausência de vulcanismo.

Analisa-se um corte geofísico transversal da margem pacífica sul-americana aos $22^\circ\text{S}$. Observam-se os seguintes dados empíricos:

1. Uma fossa oceânica profunda com escasso preenchimento sedimentar e litosfera oceânica de cerca de $45\ \text{Ma}$ que subduz com uma inclinação de $30^\circ$ para este.

2. Hipocentros sísmicos alinhados que atingem profundidades de até $600\ \text{km}$.

3. Um arco vulcânico ativo a $280\ \text{km}$ a este da fossa, que emite lavas predominantemente andesíticas e dacíticas, ricas em voláteis.

4. Uma faixa de cavalgamento e dobramento no antepaís oriental (zona subandina) com cavalgamentos que encurtam e espessam a crosta continental.

1. a) Interpreta a origem térmica e química do magma do arco: refuta a ideia intuitiva de que o magma provém da simples fusão por atrito da crosta oceânica que subduz e explica o papel fundamental da desidratação dos minerais hidratados.
2. b) Justifica por que razão o vulcanismo andino é eminentemente andesítico-dacítico e altamente explosivo, em contraste com o vulcanismo efusivo basáltico das dorsais meso-oceânicas.
3. c) Prevê, fundamentadamente, como evoluiria a dinâmica tectónica e magmática da margem se a bacia oceânica fechasse por completo e colidisse um microcontinente situado na placa em subducção.

A cadeia Havaí-Imperador apresenta uma morfologia sistemática: as ilhas do sudeste (como o Havaí) são enormes vulcões em escudo emersos com cotas de até $4\,200\ \text{m}$ e idades inferiores a $1\ \text{Ma}$. Para noroeste, as ilhas transformam-se gradualmente em atóis coralinos e, mais a norte, em guyots (montes submarinos de cume plano submersos a mais de $1\,000\ \text{m}$ de profundidade com idades de até $80\ \text{Ma}$). A $3\,500\ \text{km}$ a noroeste do Havaí localiza-se o guyot Daikakuji, datado de $47\ \text{Ma}$, no ponto exato onde o alinhamento muda bruscamente de orientação (de NO-SE para N-S).

1. a) Explica a sequência de processos geológicos (térmicos, isostáticos e morfossedimentares) que transformam uma ilha vulcânica ativa num guyot submerso à medida que a litosfera se desloca afastando-se do ponto quente.
2. b) Calcula a velocidade média de avanço da placa do Pacífico entre o momento presente e a formação do cotovelo há $47\ \text{Ma}$, expressando o resultado em $\text{cm/ano}$.
3. c) Debate-se se o «cotovelo» de Imperador reflete uma mudança brusca na trajetória cinemática da placa do Pacífico ou o movimento próprio da pluma mantélica. Que prova geológica contrastável (analisando outras cadeias intraplaca contemporâneas do Pacífico ou através de paleomagnetismo) permitiria confirmar se a direção da placa mudou?

Considera os seguintes dados geofísicos médios sobre a litosfera e a astenosfera:

• Litosfera oceânica recém-criada na dorsal: espessura $\approx 12\ \text{km}$; densidade média $\approx 3,05\ \text{g/cm}^3$.

• Litosfera oceânica madura ($>60\ \text{Ma}$): espessura $\approx 100\ \text{km}$; densidade média $\approx 3,35\ \text{g/cm}^3$.

• Litosfera continental típica: espessura $\approx 150\ \text{km}$; crosta de $35\ \text{km}$ (densidade $\approx 2,75\ \text{g/cm}^3$) e manto litosférico de $115\ \text{km}$ (densidade $\approx 3,30\ \text{g/cm}^3$); densidade média global $\approx 3,17\ \text{g/cm}^3$.

• Manto astenosférico superior subjacente: densidade $\approx 3,25\ \text{g/cm}^3$.

1. a) A partir do princípio da flutuabilidade e dos dados anteriores, justifica por que razão uma dorsal oceânica nunca pode subduzir espontaneamente, enquanto uma litosfera oceânica velha pode colapsar e iniciar uma subdução.
2. b) Raciocina por que razão a litosfera continental não pode subduzir de forma profunda e contínua no manto astenosférico, e prevê que resposta mecânica experimenta quando uma margem passiva continental é arrastada em direção a uma fossa de subdução.
3. c) Durante a subdução, os basaltos e gabros da crosta oceânica sofrem metamorfismo de alta pressão e baixa temperatura, transformando-se em eclogito (densidade $\approx 3,50\ \text{g/cm}^3$). Justifica como incide esta transformação de fase na força de tração da placa (slab pull).

Ao analisar a sismicidade registada em dois limites convergentes distintos (Margem A: fossa de Tonga-Kermadec; Margem B: fossa de Peru-Chile aos $32^\circ\text{S}$), observam-se as seguintes diferenças:

• Na Margem A, os hipocentros distribuem-se ao longo de um plano inclinado com um pendor de $60^\circ$ que penetra de forma contínua até aos $680\ \text{km}$ de profundidade.

• Na Margem B, o plano de sismicidade desce inicialmente com um ângulo de $30^\circ$ até aos $100\ \text{km}$, depois torna-se sub-horizontal ($<10^\circ$) durante centenas de quilómetros terra adentro e cessa completamente a profundidades superiores a $150\ \text{km}$.

Além disso, a nível planetário não se regista nenhum sismo a profundidades superiores a $700\ \text{km}$, embora a tomografia sísmica mostre que a litosfera fria continua a afundar-se no manto profundo.

1. a) Justifica a que fatores físicos (idade da placa oceânica, temperatura, velocidade de convergência ou flutuabilidade) se devem as diferenças observadas na inclinação e profundidade dos sismos entre ambas as margens.
2. b) Explica a mudança no comportamento reológico dos materiais e as transformações de fase mineralógicas que justificam o desaparecimento total de sismos abaixo dos $700\ \text{km}$.
3. c) Se uma estação sismológica se localizar na Margem A a $180\ \text{km}$ de distância da fossa em direção ao arco, prevê fundamentadamente o intervalo de profundidade (superficial, intermédio ou profundo) em que detetará os sismos provocados diretamente pela placa em subdução sob os seus pés.

O mapa sismotectónico da Península Ibérica mostra uma acentuada heterogeneidade: no setor Bético-Rifenho e no arco de Gibraltar concentra-se uma sismicidade contínua com sismos destrutivos periódicos (como os de Arenas del Rey em 1884 ou Lorca em 2011), enquanto o interior da Meseta Central é considerado praticamente assísmico. Não obstante, as medições GNSS demonstram que a placa africana avança para NO em relação à Eurásia a uma velocidade constante de $4\text{ a }5\ \text{mm/ano}$.

1. a) Justifica por que razão o contacto geodinâmico entre a Eurásia e África no sul da Península Ibérica não se manifesta como uma única falha discreta ou uma fossa clássica, mas sim como uma «fronteira difusa» de deformação crustal de centenas de quilómetros de largura.
2. b) Nas Cordilheiras Béticas coexistem falhas de desligamento e falhas inversas ativas. Explica mecanicamente a coexistência de ambos os tipos de falhas a partir do regime compressivo oblíquo induzido pela cinemática de placas.
3. c) Pode-se considerar que a probabilidade de ocorrência de um sismo no interior da Meseta Central é absolutamente nula? Justifica a tua resposta considerando a transmissão intraplaca de tensões tectónicas e a reativação de falhas tardi-hercínicas.