Nuevos datos del mar Tirreno ayudan a comprender cómo se separan los continentes
En las profundidades del mar Tirreno, frente a las costas de Italia, los científicos perforaron lo que creían que sería roca oscura del manto terrestre, y encontraron trozos de granito que aparentemente no tenían nada que hacer allí.
Esas inesperadas intrusiones resultaron ofrecer una visión excepcional de cómo una falla masiva arrastró rápidamente rocas de las profundidades terrestres hacia la superficie durante la apertura de una joven cuenca oceánica.
"Cuando recuperamos los primeros granitos, todos nos sorprendimos porque estas son rocas que normalmente se asocian con la corteza continental, no con la corteza oceánica o el manto", dijo la geóloga de la LSU, Eirini Poulaki. "Pero también fue emocionante, y tuve la sensación de que nos iban a ayudar a reconstruir lo que sucedió a lo largo de este sistema de fallas de una manera que normalmente no podemos".
El mar Tirreno ofrece una oportunidad única para estudiar cómo se separan los continentes y comienzan a formarse nuevas cuencas oceánicas. Es lo que los geólogos denominan una ventana tectónica: un lugar donde la corteza se estira y adelgaza tanto que los científicos pueden acceder al manto superior, una parte de la Tierra que normalmente se encuentra demasiado profunda para poder muestrearla directamente.
Hace millones de años, la cuenca comenzó a abrirse a un ritmo de aproximadamente 2 centímetros por año, casi tan rápido como crecen las uñas, mientras que gigantescas fallas de desprendimiento funcionaban como cintas transportadoras, arrastrando rocas del manto hacia el fondo marino a medida que se separaba la corteza circundante.
Sin embargo, sigue siendo difícil comprender la cronología y los procesos de funcionamiento de estas fallas. Los científicos suelen inferir la exhumación del manto a partir de datos geofísicos y modelos numéricos, pero rara vez recuperan rocas que conserven directamente las condiciones bajo las cuales se produjo la deformación.
Allí, los investigadores recuperaron no solo rocas del manto, sino también inesperadas intrusiones graníticas dentro de la zona de falla. En un reciente estudio, el equipo demuestra que estos inusuales cuerpos graníticos actuaron como un reloj y un termómetro incorporados, conservando un detallado registro de cómo evolucionó la falla a medida que las rocas profundas ascendían hacia el fondo marino, y que también pudieron haber contribuido a mantener activo y en rápido movimiento el sistema de fallas durante la apertura de la cuenca.
Imagen derecha: El granito y la roca del manto, conocida como peridotita, tienen un aspecto y un comportamiento muy diferentes. El granito, de color más claro, está compuesto principalmente de cuarzo y feldespato, y contiene pequeñas cantidades de minerales como el circón y la apatita, que generalmente están ausentes en las rocas del manto y que proporcionaron pistas importantes sobre la historia del mar Tirreno. Crédito: LSU College of Science
Un sorprendente descubrimiento bajo el lecho marino
Durante la Expedición 402 del Programa Internacional de Descubrimiento Oceánico, los científicos perforaron el mar Tirreno para investigar cómo quedan expuestas las rocas del manto durante la apertura de jóvenes cuencas oceánicas. Los investigadores esperaban recuperar rocas ultramáficas del manto, como peridotitas —rocas densas ricas en hierro y magnesio—, junto con fragmentos de corteza oceánica. Pero entre esas rocas del manto, también descubrieron inesperadas intrusiones de granito de color claro que atravesaban la sección del manto.
No se trataba solo de granitos prístinos: algunos presentaban una intensa deformación por estiramiento y cizallamiento, con un aumento de la deformación hacia una zona de falla localizada. Este gradiente es característico de la actividad de fallas, donde la tensión se concentra cerca de la zona de falla y disminuye a medida que nos alejamos de ella. La deformación también sugería que los granitos no eran simplemente fragmentos pasivos atrapados en el manto, sino que participaban activamente en el propio sistema de fallas.
La extraña combinación de tipos de roca planteó una importante pregunta: ¿Se trataba de antiguos fragmentos de corteza continental que quedaron tras la apertura de la cuenca, o se formaron durante el propio proceso de extensión? La respuesta dependía de la antigüedad de los granitos. Si eran antiguos, probablemente eran restos de corteza continental más antigua. Si eran jóvenes, debían haberse formado durante la apertura de la cuenca.
Para resolver el misterio, los investigadores dataron los minerales de circón y apatita presentes en las rocas mediante geocronología uranio-plomo. Los resultados mostraron que los granitos se formaron hace aproximadamente 4 millones de años, justo cuando se estaba abriendo la cuenca.
Eso significaba que los granitos no eran reliquias de la corteza continental más antigua. En cambio, se formaron en las profundidades de la corteza en expansión y se inyectaron en el manto a medida que se abría la cuenca, pasando a formar parte del sistema de fallas activo.
Por primera vez en este tipo de entorno, los científicos pudieron utilizar muestras directas de rocas del manto que contienen múltiples cronómetros minerales bien establecidos —herramientas que normalmente se utilizan para estudiar fallas de desprendimiento en entornos continentales— para determinar directamente la cronología de la actividad de las fallas en una cuenca oceánica.
Reconstruyendo el ascenso de las rocas de las profundidades terrestres
Los granitos también sirvieron como termómetro, conservando pistas sobre las temperaturas que experimentaron las rocas a medida que ascendían a través del sistema de fallas. Mediante la combinación de la datación de minerales, el análisis microestructural y las estimaciones de temperatura, el equipo reconstruyó la secuencia de eventos, desde el emplazamiento del magma en las profundidades del lecho marino hasta el ascenso de las rocas del manto al fondo oceánico.
Los análisis químicos de los minerales mostraron que los granitos cristalizaron inicialmente a temperaturas de aproximadamente 600 °C a 700 °C en las profundidades del lecho marino. Análisis microestructurales posteriores, junto con termometría de titanio en cuarzo, revelaron que las mismas rocas continuaron deformándose a temperaturas más frías, alrededor de 450 °C, a medida que se cizallaban a lo largo de la falla y se transportaban hacia arriba.
Al comparar la edad de los granitos con la de los sedimentos depositados sobre ellos hace entre 3,5 y 3,6 millones de años, los investigadores calcularon que las rocas fueron exhumadas rápidamente desde varios kilómetros bajo el lecho marino hasta el fondo oceánico en menos de medio millón de años.
Esto corresponde a tasas de exhumación de aproximadamente 2 centímetros por año, una rápida velocidad en escalas de tiempo geológicas y comparable a estimaciones independientes de la rapidez con la que se abría la cuenca durante esta fase de extensión. Los resultados sugieren que la falla absorbió gran parte de la extensión de la cuenca a lo largo de una única estructura principal, en lugar de distribuir la deformación a través de muchas fallas más pequeñas.
"Básicamente, hemos averiguado a qué velocidad se desplazaba esta falla", dijo Poulaki. "Y se movía muy rápido, a la velocidad estimada de todo el sistema de placas tectónicas".
En conjunto, las edades y las temperaturas revelan una historia continua: magma de granito caliente que se introduce en las profundidades de la litosfera; granito solidificado que se deforma a medida que la falla lo eleva; y, finalmente, sedimentos que entierran en el fondo marino las rocas exhumadas.
La forma en que la deformación se intensifica cerca de los granitos y disminuye a medida que nos alejamos de ellos refuerza aún más la idea de que la mayor parte del movimiento se concentró a lo largo de una falla de desprendimiento dominante.
Imagen derecha: Reconstrucción de la historia geológica registrada por las rocas del mar Tirreno. El estudio muestra que las intrusiones de granito se formaron durante la apertura de la cuenca, ayudaron a localizar el movimiento a lo largo de una falla de desprendimiento principal y preservaron el registro de tiempo y temperatura necesario para reconstruir cómo las rocas del manto profundo fueron llevadas rápidamente al fondo marino. Crédito: Facultad de Ciencias de la LSU
¿Por qué el granito, y no el agua de mar, fue el causante del debilitamiento inicial?
La información sobre la cronología también ayudó a los investigadores a responder otra pregunta de larga data: ¿Qué es lo que realmente debilita estas fallas lo suficiente como para exhumar rocas del manto tan rápidamente?
Los geólogos han debatido si el debilitamiento de las fallas se debe principalmente a la intrusión de magma en la corteza y el manto, o a la serpentinización, un proceso en el que el agua de mar altera químicamente las rocas resistentes del manto, convirtiéndolas en minerales serpentinos más débiles. Con frecuencia, los modelos numéricos de rápida exhumación del manto en entornos similares se han basado en gran medida en la serpentinización.
Pero los nuevos datos del mar Tirreno cuentan una historia diferente.
Mediante el análisis de isótopos estables en las peridotitas circundantes, las rocas ultramáficas que albergan los granitos, el equipo demostró que la serpentinización se produjo más tarde y a temperaturas mucho más bajas —entre 220 °C y 230 °C— después de que los granitos ya se hubieran formado y deformado, y gran parte de la exhumación ya hubiera tenido lugar.
En cambio, parece que los propios granitos fueron los responsables de la mayor parte del trabajo inicial.
Debido a que el granito es mecánicamente más débil que las rocas del manto circundante a temperaturas intermedias, se deforma con mayor facilidad. Los investigadores descubrieron que estos cuerpos graníticos concentraron la tensión a lo largo de la falla de desprendimiento, lo que contribuyó a que se mantuviera activa y exhumara eficazmente rocas profundas a lo largo de una única estructura principal, en lugar de una zona amplia y difusa.
"Potencialmente actúa como lubricante", añadió Brandon Shuck, geólogo de la LSU y coautor del estudio. "Incluso después de que el magma se solidifica, sigue siendo más débil que las rocas circundantes, lo que ayuda a que la deformación se concentre a lo largo de la falla".
Poulaki señala que la idea de que las intrusiones magmáticas, como los gabros, pueden debilitar las fallas no es del todo nueva. En otras regiones, también se ha demostrado que las intrusiones máficas reducen la resistencia de las fallas. Lo que hace singular al mar Tirreno es que estos granitos son incluso más débiles que esas rocas, a la vez que conservan un registro excepcionalmente detallado de cómo evolucionó la falla a lo largo del tiempo.
Comprender cómo se separan los continentes
Se cree que las fallas de desprendimiento oceánico, como la estudiada en el mar Tirreno, desempeñan un papel fundamental en la formación de nueva litosfera oceánica en regiones con limitado vulcanismo. Sin embargo, vincular directamente la cronología, la temperatura y los mecanismos de deformación ha resultado difícil en estos entornos, ya que los científicos rara vez recuperan muestras de roca que conserven evidencia de los tres.
Los granitos que se depositaron y quedaron atrapados en el manto del mar Tirreno contienen minerales con métodos bien establecidos para determinar con precisión su edad y temperatura. Estos minerales no se encuentran comúnmente en las rocas del manto, por lo que el estudio proporciona valiosa información sobre cómo operan las grandes fallas de desprendimiento durante la formación de nuevas cuencas oceánicas.
"Nadie había podido vincular antes la deformación con el tiempo de esta manera en este tipo de entornos", dijo Poulaki. "Solo pudimos hacerlo gracias a las litologías únicas: esta mezcla de rocas del manto y granitos".
Más allá del mar Tirreno, los hallazgos podrían aplicarse a muchas otras regiones donde los continentes se están separando y están comenzando a formarse nuevos océanos. Al demostrar que las intrusiones magmáticas —y no solo la alteración posterior por el agua de mar— pueden provocar el debilitamiento inicial de las fallas, el estudio ofrece una rara evidencia directa de cómo se estira, se fractura y finalmente se rompe la corteza terrestre para crear nuevos océanos.
El estudio se ha publicado en Science Advances: Granitic intrusions enhance strain localization and rapid mantle exhumation along an oceanic detachment fault
