Exercícios: O ciclo de Wilson

O que é o ciclo de Wilson? Indica com que processo geológico se inicia e com que acontecimento termina.

O mar Vermelho e o oceano Atlântico representam etapas distintas do ciclo de Wilson. Indica qual dos dois se encontra numa etapa mais inicial e justifica a tua resposta.

O que é um rifte continental e em que tipo de limite entre placas se origina?

Que dois tipos de limites entre placas intervêm, respetivamente, na abertura e no fecho de um oceano no âmbito do ciclo de Wilson? Justifica a tua resposta.

O que é uma dorsal oceânica e em que etapas do ciclo de Wilson surge? Que tipo de rocha se forma nela?

O Atlântico é considerado um oceano «maduro». Refere duas características que justificam essa classificação, como a sua largura ou o tipo de margens que o delimitam.

O que é uma margem continental passiva e em que se distingue de uma margem ativa? Relaciona cada tipo com uma etapa do ciclo de Wilson.

Que idade máxima têm as rochas do fundo oceânico atual e por que razão não existem fundos oceânicos tão antigos como os núcleos mais velhos dos continentes?

As cinco ilustrações do esquema (a–e) mostram, de forma desordenada, cinco etapas do ciclo de Wilson. Ordena-as cronologicamente, desde a abertura de um rifte até à formação de uma cordilheira, e indica um exemplo atual de cada etapa.

O oceano Pacífico é o mais extenso do planeta e, contudo, é considerado um oceano «em regressão» no âmbito do ciclo de Wilson. Explica o que ocorre nos seus limites que justifique esta afirmação.

Quando a subdução consome por completo o fundo oceânico que separa dois continentes, que acontecimento põe fim ao ciclo e que tipo de relevo se origina? Dá um exemplo atual.

O vale do rifte da África Oriental apresenta vulcanismo, fossas tetónicas e lagos alongados. Explica que etapa do ciclo de Wilson representa e o que poderá acontecer se a distensão continuar durante milhões de anos.

Os ofiolitos são fragmentos de crosta e manto oceânicos incorporados nas cordilheiras. Explica o que são, como atingiram a terra firme (obdução) e o que comprovam sobre a existência de oceanos desaparecidos.

Um oceano abre-se a uma taxa de $3\ \text{cm/año}$ por cada flanco durante $60\ \text{Ma}$. Calcula a largura atingida no final desse período, expressa em quilómetros, e comenta a que oceano atual se assemelharia.

Nas suturas de colisões antigas descrevem-se mélanges, ofiolitos e rochas metamórficas de alta pressão. Explica o que é uma zona de sutura e por que razão estes três elementos revelam a existência de um oceano encerrado.

O Mediterrâneo mantém subdução ativa na Calábria e no arco helénico. Posiciona este mar no ciclo de Wilson e explica que evidências permitem atribuir-lhe essa etapa.

Uma equipa de prospeção geológica cartografa no interior de uma massa cratónica continental uma faixa linear de várias centenas de quilómetros onde coexistem:

1. Um alinhamento de peridotitos serpentinizados, gabros bandados e lavas em almofada encaixadas entre sedimentos pelágicos deformados.

2. Xistos azuis e eclogitos com granada que marcam metamorfismo de alta pressão e baixa temperatura ($P > 1,5\ \text{GPa}$, $T < 450\ ^\circ\text{C}$).

3. Em ambos os lados desta faixa, rochas sedimentares de plataforma continental pouco profunda com fósseis marinhos paleozoicos que pertencem a províncias biológicas completamente distintas e sem ligação entre si.

1. a) Demonstra, fundamentando a partir de cada uma destas três evidências, por que razão este alinhamento representa uma zona de sutura fóssil correspondente ao fecho completo de um ciclo de Wilson (como nos Urais ou nos Apalaches) e não uma simples fratura intraplaca ou rifte continental incipiente.
2. b) Reconstrói a cronologia relativa dos processos tectónicos que tiveram lugar nesta região, explicando que dados adicionais (por exemplo, a posição de restos de um arco magmático ou de um prisma de acreção relativamente à sutura) permitiriam estabelecer a polaridade inicial da subducção e analisando o papel da flutuabilidade da litosfera na culminação do orógeno.

Analisam-se duas sondagens na crosta oceânica do Atlântico norte ao longo de um perfil perpendicular à dorsal mesoatlântica:

• Sondagem A ($600\ \text{km}$ a oeste do eixo): crosta basáltica datada em $40\ \text{Ma}$, coberta por $250\ \text{m}$ de sedimentos pelágicos.

• Sondagem B ($1\,800\ \text{km}$ a oeste do eixo, junto à margem passiva norte-americana): crosta basáltica datada em $150\ \text{Ma}$, coberta por $3\,200\ \text{m}$ de sedimentos.

Um estudante afirma que, como a crosta em B é quase quatro vezes mais velha do que em A, a taxa de expansão da bacia deve ter quadruplicado nos últimos $40\ \text{Ma}$.

1. a) Avalia criticamente a afirmação do estudante calculando e comparando as taxas médias de semiexpansão nos intervalos $0-40\ \text{Ma}$ e $40-150\ \text{Ma}$. Manteve-se a dinâmica de abertura aproximadamente constante?
2. b) Justifica por que razão a espessura sedimentar em B é mais de doze vezes superior à de A (não sendo proporcional apenas à idade), relacionando-o com a subsidência térmica da litosfera oceânica à medida que amadurece no ciclo de Wilson.
3. c) Na margem B a litosfera oceânica já é mais densa do que a astenosfera subjacente. Por que razão não subduz espontaneamente de forma imediata? Explica que limiar mecânico deve ser superado para passar à fase de fecho.

O mar Mediterrâneo costuma classificar-se no ciclo de Wilson como uma bacia em etapa de senescência ou declínio terminal. No entanto, os dados geodinâmicos atuais mostram uma aparente contradição:

1. No Mediterrâneo oriental persistem relíquias de litosfera oceânica mesozoica a consumirem-se na fossa Helénica.

2. No Mediterrâneo ocidental (mar Tirreno e bacia Balear) existem pequenas bacias com crosta oceânica muito jovem (com menos de $10\ \text{Ma}$) e adelgaçamento litosférico ativo.

3. A convergência entre África e a Eurásia é muito lenta (apenas $4-5\ \text{mm/ano}$ para NO).

1. a) Resolve o aparente paradoxo: como pode coexistir a abertura de bacias oceânicas de retroarco com um contexto global de fecho e convergência continental?
2. b) Prevê a evolução geodinâmica do Mediterrâneo nos próximos $50\ \text{Ma}$: detalha o que acontecerá com as relíquias oceânicas, com as bacias marginais e que tipo de orógeno resultará da colisão final entre o norte de África e o sul da Europa.
3. c) Que tipos de rochas e que estruturas tectónicas esperas encontrar no futuro orógeno como testemunhos do antigo fundo oceânico e do arco vulcânico eólico atual?

O perfil geológico transversal de uma margem continental atlântica típica revela a seguinte sobreposição tectonoestratigráfica:

• Na base, falhas normais lístricas que delimitam blocos basculados (semigrábens) preenchidos por séries continentais vermelhas ('red beds') e evaporitos do Triásico superior-Jurássico inferior.

• Por cima, selando as falhas e cobrindo em discordância tanto os blocos continentais como a crosta oceânica basáltica adjacente, dispõe-se uma possante cunha de sedimentos marinhos siliciclásticos e carbonatados não deformados do Cretácico e Cenozoico.

1. a) Deduz a que etapas do ciclo de Wilson correspondem a sequência sedimentar basal ('syn-rift') e a sequência superior ('post-rift' ou 'drift'), justificando que alterações no regime térmico e no estado de tensão explicam essa transição.
2. b) Um modelo geodinâmico propõe que nos próximos $30\ \text{Ma}$ esta margem passiva se transformará numa margem ativa por subducção espontânea. Discute a viabilidade mecânica deste processo: que forças resistentes impedem a rutura litosférica e em que zona concreta da margem é mais provável que a placa se desacople para nuclear uma subducção?
3. c) Prevê a sequência de acontecimentos tectónicos, magmáticos e metamórficos que esta margem sofreria se se instalasse uma zona de subducção com vergência para o continente antes da colisão final.

Num corte transversal dos Alpes Centrais e Ocidentais identificam-se três grandes conjuntos tectónicos sobrepostos sob a forma de mantos de cavalgamento:

1. Na base, lâminas de crusta continental europeia deformada com metamorfismo de pressão intermédia.

2. Cavalgando sobre a crusta europeia, um complexo de xistos verdes, xistos azuis e eclogitos com peridotitos serpentinizados e metarradiolaritos.

3. No topo, cavalgamentos com rochas continentais procedentes do microcontinente de Apúlia (promontório africano).

1. a) Interpreta a origem do conjunto intermédio: por que razão coexistem rochas de fácies eclogítica (alta pressão e baixa temperatura) com sequências de afinidade oceânica, e que etapa do ciclo de Wilson documentam?
2. b) Justifica por que razão na cordilheira alpina não existe atualmente vulcanismo ativo de subducção (ao contrário dos Andes), deduzindo em que momento exato do ciclo de Wilson se encontram hoje os Alpes.
3. c) Dado que a litosfera oceânica é densa e tende a afundar-se no manto, explica através de que mecanismo físico conseguiram fragmentos do antigo fundo marinho de Tétis ascender a mais de $3\,000\ \text{m}$ de altitude na cordilheira em vez de serem subduzidos por completo.

Sob uma cordilheira de colisão recente de $4\,000\ \text{m}$ de altitude média, os perfis de refração sísmica situam a descontinuidade de Mohorovičić a $65\ \text{km}$ de profundidade. No cratão adjacente não deformado, o Moho encontra-se a $35\ \text{km}$ e o relevo está ao nível do mar. Considera densidades médias constantes de $\rho_c = 2\,700\ \text{kg/m}^3$ para a crusta e $\rho_m = 3\,300\ \text{kg/m}^3$ para o manto litosférico.

1. a) Aplica o princípio da isostasia de Airy para verificar se a cordilheira está em equilíbrio isostático. Calcula analiticamente que raiz crustal ($r$) exigiria um relevo de $4\,000\ \text{m}$ e compara a espessura crustal teórica total com a observada sismicamente.
2. b) Durante os $40\ \text{Ma}$ seguintes, a erosão remove uma espessura de rocha superficial de $3\,000\ \text{m}$. Considerando apenas a resposta isostática de Airy a esta descarga, sem incluir o reajustamento do excesso de raiz detetado na primeira alínea, demonstra por que razão a cordilheira não perderá $3\,000\ \text{m}$ de altitude média: calcula o valor do ressalto isostático compensador e a altitude final resultante.
3. c) Justifica que consequências petrológicas e estruturais tem este processo a muito longo prazo sobre a raiz orogénica: que rochas e que fácies metamórficas aflorarão quando a cordilheira ficar convertida numa peniplanície?

Um navio oceanográfico regista anomalias magnéticas e perfis batimétricos ao longo de um transecto de $900\ \text{km}$ desde uma dorsal oceânica até ao talude continental de uma bacia sem fossas marinhas. Os dados revelam:

1. A taxa média de semiexpansão na dorsal tem sido constante e igual a $1,5\ \text{cm/ano}$.

2. A $900\ \text{km}$ do eixo, a litosfera oceânica tem uma idade calculada e uma espessura térmica de $90\ \text{km}$, tendo arrefecido até adquirir uma densidade superior à da astenosfera subjacente.

3. O contacto entre a crusta oceânica e a continental não apresenta sismicidade nem deformação por cisalhamento.

1. a) Calcula a idade da crusta no contacto e deduz em que etapa do ciclo de Wilson se encontra a bacia, justificando por que razão a ausência de fossas não contradiz o facto de a litosfera oceânica ser já gravitacionalmente instável.
2. b) Supõe que os esforços compressivos intraplaca induzem a rutura da margem e o início da subducção. Prevê as mudanças sucessivas que se registarão na batimetria da margem, no regime térmico e no estilo de deformação da crusta continental adjacente.
3. c) Como variará a velocidade líquida de deslocamento da placa oceânica a partir do momento em que a extremidade litosférica fria penetrar profundamente na astenosfera? Justifica-o comparando as forças de impulsão da dorsal ('ridge push') e de tração da placa ('slab pull').

Compara dois setores convergentes da margem do oceano Pacífico:

• Setor A (Fossa das Marianas): subduz litosfera oceânica jurássica ($\approx 160\ \text{Ma}$); fossa próxima dos $11\,000\ \text{m}$; ângulo do plano de Benioff $>70^\circ$; sismicidade de acoplamento moderada e bacia de retroarco em extensão ativa com nova litosfera oceânica.

• Setor B (Fossa do Chile central): subduz litosfera oceânica miocénica ($\approx 20\ \text{Ma}$); fossa de $8\,000\ \text{m}$; ângulo de Benioff de $20^\circ-30^\circ$; megaterramotos de contacto interplacas e um orógeno continental elevado com forte compressão.

1. a) Justifica como a idade e a densidade térmica da placa subduzida determinam as diferenças no ângulo do plano de Benioff, na profundidade da fossa e no regime tectónico do retroarco entre ambos os setores.
2. b) Explica o mecanismo termodinâmico exato que desencadeia a fusão parcial no manto superior sob o arco de ilhas das Marianas, rebatendo a ideia errónea de que 'o magma provém da fusão por atrito da crusta oceânica que subduz'.
3. c) A partir do balanço entre a criação de litosfera nas dorsais pacíficas e a sua destruição nos limites convergentes que o delimitam, justifica por que razão o Pacífico exemplifica a etapa de declínio do ciclo de Wilson e prevê a reorganização paleogeográfica global quando a sua bacia for consumida.