Cuando y como se creó la corteza continental: Cuando el presente no es la clave del pasado

Tanto en el Arcaico como hoy en día, los granitoides constituyen el núcleo de la corteza continental formada en las zonas de subducción. La corteza hadeana era máfica y sufrió una fusión parcial interna, esta fue interrumpida por un bombardeo meteorítico. Después de esto, hace unos 3900 Ma, la tectónica de placas comenzó a funcionar. A final del Arcaico y hasta finales del Proterozoico, la corteza continental creció episódicamente por la convección acelerada del manto. El mayor volumen de corteza continental se dio con la llegada de superplumas mantélicas desplazando material de la parte superior del manto y acelerando la velocidad de subducción.

Prácticamente no hay afloramientos arcaicos, las suposiciones de los científicos se basan en datos geoquímicos, geofísicos y mineralógicos; pero todavía no se conocen cuáles fueron los procesos exactos que actuaron en la Tierra primitiva, y no siempre se debe suponer que lo que sucede en el presente puede ser clave para saber lo que pasó en el pasado.

En los últimos 20 años se han producido notables avances en la comprensión sobre los mecanismos de formación y evolución de la corteza continental gracias, en gran medida, a la teoría de la tectónica de placas y a los avances en los conocimientos de la litosfera, los nuevos datos geoquímicos y paleomagnéticos, además de los nuevos modelos geofísicos de los procesos del manto.

En la actualidad, todavía no se conocen exactamente cuáles fueron los procesos que actuaron en la Tierra primitivA

De todas formas, hay muy poca información sobre cómo era la Tierra en épocas tan remotas como el Hadeano (4568–3850 Ma), el Arcaico (3850-2500 Ma) o el Proterozoico (2500-541 Ma), dado que en esas edades tuvieron lugar muchos eventos que borraron toda huella posible, y que al ser tan antiguas, a lo largo de 600 Ma hasta hoy, la Tierra ha sufrido cambios muy intensos que hacen aún más difícil la reconstrucción de esos tiempos. Es necesario comparar los procesos actuales que tienen lugar en el planeta con los que pudo haber en el pasado. En una Tierra temprana, forzosamente tuvo que haber algún tipo de tectónica de placas primitiva que provocó cambios en la dinámica interna de la Tierra como consecuencia de un enfriamiento global. La formación y crecimiento de la corteza a lo largo de los tiempos geológicos, probablemente se originó gracias a mecanismos tectónicos y magmáticos. Si no se hubiera formado corteza continental, la Tierra sería un mundo totalmente acuático envuelto por una corteza basáltica y cubierta por un océano global.

Características principales de la corteza terrestre

La corteza terrestre es la capa superficial sólida de la Tierra, es una capa muy delgada y está compuesta por una corteza continental, con un espesor medio de unos 35 km, y una corteza oceánica, mucho más delgada, de unos de 6 km de espesor.

La corteza continental ocupa el 41,2% de la superficie terrestre, aunque solo representa el 0,35% de la masa total del planeta. Desde un punto de vista económico, se puede considerar como una una reserva muy importante de elementos traza (contiene hasta el 70% del total de estos elementos). Tiene una composición aproximadamente granodiorítica, es heterogénea y localmente llega a ser muy antigua. Esta corteza está compuesta por una gran variedad de tipos de rocas (sedimentarias, ígneas y metamórficas) cuya edad abarca desde los 4000 Ma a muy recientes, esto refleja su historia larga y compleja.

La corteza oceánica es joven (200 Ma) y delgada, de composición basáltica, oscura, con rocas volcánicas y rica en Mg y Fe, es más o menos uniforme. Es más densa que la corteza continental y es impermanente porqué se va renovando constantemente a través de las dorsales oceánicas (Figura 1).

Para la geología, el estudio de la composición de la corteza continental es muy importante, la distribución y composición de los elementos de la corteza puede usarse para desarrollar modelos de evolución corteza-manto y pruebas de la producción y evolución de la corteza a lo largo del tiempo.

La corteza continental

La corteza continental comenzó a generarse durante el Arcaico. La diferenciación de la corteza podía haber sido alcanzada por procesos de fusión parcial y segregación de abundante fundido félsico desde la corteza preexistente, lo que originó la heterogeneidad de la corteza continental. Los magmas que cristalizaron después de la migración hasta niveles menos profundos de la corteza contribuyó a la evolución de la corteza superior, la corteza inferior está formada por los residuos.

Hace 2500 Ma la composición de la parte superior de la corteza tenía menos elementos evolucionados, estaba compuesta por una mezcla entre basaltos y granitos ricos en sodio (los TTG). Esta composición difiere considerablemente de la corteza continental actual, que es dominada por granitos ricos en potasio. Este cambio de composición parece que está relacionado con la tectónica de placas. Antes de los 2500 Ma, se estaba reciclando rápidamente la corteza oceánica debido a los altos e intensos niveles de calor radioactivo que condujeron a la creación de un motor para las placas tectónicas.

La fuente de los granitoides de la corteza continental son el magmatismo ligado a la subducción y la fusión de la corteza inferior inducida por el calor originado debido a la desintegración de elementos radioactivos. El magma resultante de este proceso migra hacia la superficie. La corteza inferior basáltica se forma a partir del magma que asciende desde el manto y queda atrapado bajo la corteza granítica.

Composición promedio de la corteza continental actual

Los datos sobre la composición de la corteza media e inferior son mucho más escasos, pues también lo son los afloramientos dónde hacer observaciones.

• Corteza superior (<15 km) -> es litológicamente heterogénea y granodiorítica, constituye rocas sedimentarias dispuestas sobre rocas volcánicas y graníticas intrusivas. Es de composición global félsica (±66% deSiO2), con Vp = 6,2 km/s.
• Corteza media (±15-25 km) -> es litológicamente heterogénea, equilibrada en facies anfibolítica, de composición global intermedia (±60% de SiO2; 3,5% MgO), con Vp=6,2-6,5 km/s.
• La corteza inferior (±25-45 km, o más) -> también es heterogénea litológicamente. Como promedio corresponde a una granulita máfica con piroxenos alumínicos y plagioclasa. Es de composición basáltica (± 52% deSiO2; 7% MgO), con Vp=6,9-7,2 km/s.

La corteza continental, comparada con el manto, es en promedio relativamente rica en SiO2 y pobre en MgO, y está enriquecida en elementos incompatibles respecto a la composición de la Tierra primitiva.

La composición promedio de la corteza continental es objeto de controversia, si bien en la actualidad, el modelo andesítico de Taylor y Mc Lennan (1981-1985) es el que ha tenido más aceptación entre los científicos. Este modelo se basa en la observación de que el crecimiento de corteza continental moderna tiene lugar principalmente en los márgenes convergentes, y se fundamenta en dos premisas: primero, que la corteza se puede dividir en dos partes, superior e inferior, diferentes geoquímicamente; segundo, que la composición global es andesítica. Dadas estas premisas y conocida la composición de la corteza superior, se deduce que la corteza inferior debe ser basáltica. Este modelo andesítico fue objeto de críticas debido a que la composición deducida y la composición observada de la corteza terrestre  son muy dispares. Durante los años 90 y en la primera década de los 2000 se han realizado nuevos modelos que estiman la composición y volumen de la corteza media, ignorada anteriormente. Los volúmenes relativos de la corteza superior, media e inferior son del 31,7%, 29,6% y 38,8%.

La tectónica arcaica

No hay dudas de que en el Arcaico se produjo una evolución de la corteza terrestre, por lo tanto, actuó una tectónica de placas y una estructura interna terrestre similar a la que tenemos hoy en día. Sin embargo, las condiciones en las que las placas funcionaban eran muy diferentes a las actuales, la producción de calor terrestre era mucho mayor (Figura 2). Se calcula que había más actividad tectónica debido a que había una mayor velocidad de producción de litosfera, por lo tanto, había mayor actividad en las dorsales y un mayor número de ellas, también mayor actividad en las zonas de subducción y muchas más placas y más pequeñas (Figura 3).

La transición Arcaico-Proterozoico (2500 Ma)

Se debe considerar la transición Arcaico-Proterozoico como un periodo de grandes cambios en la Tierra. Algunas rocas que son muy abundantes en el Arcaico, como las Komatiitas, los BIF (Banded Iron Formation) y los TTG (Tonalita, Trondhjemita y granodiorita), que prácticamente no se encuentran en el Proterozoico (Figura 4). Sin embargo, hay otras rocas que son abundantes en el Proterozoico, cuando en el Arcaico eran raras, son las andesitas, las rocas magmáticas peralcalinas y las eclogitas. Estas variaciones litológicas indican que se produjeron cambios muy profundos en los mecanismos petrológicos.

Por una parte, la presencia de Komatiitas indica que la parte superior del manto se encontraba a una temperatura significativamente más alta durante la primera mitad de la historia de la Tierra. Más tarde el planeta se enfrió, ya no se producían las altas temperaturas necesarias para la génesis de Komatiitas (1600-1650 ºC), por lo tanto, dejaron de producirse después de los 2500 Ma.

Por otra parte, el tamaño de las placas litosféricas se fue incrementando desde el Arcaico. Todos los cambios que tuvieron lugar en este periodo son el resultado de un único fenómeno: el enfriamiento gradual de la Tierra. Debido al decrecimiento del gradiente geotérmico global, se fueron estabilizando, gradualmente, grandes áreas continentales, se formaron los Cratones.

Origen y evolución de la corteza continental

La litosfera y la corteza continental se crean, destruyen y modifican en los márgenes continentales, es en ellos donde se puede estudiar la evolución y origen de la litosfera. Aunque se considera que la corteza continental tiene una composición andesítica, la corteza oceánica está compuesta por rocas máficas y el manto tiene una naturaleza ultramáfica. Está ampliamente aceptado que la corteza continental ha sido extraída del manto; sin embargo, las evidencias geoquímicas y geocronológicas indican que la corteza continental no fue producto de la acreción primitiva, sino que se formó más tarde.

Probablemente la corteza primitiva de la Tierra joven era máfica, y se había formado a partir de la consolidación de un océano de magmas convectivos de profundidad incierta. Aún y así, no hay ningún afloramiento que muestre evidencias de esta corteza joven, se sabe que no ha sobrevivido, probablemente, por el intenso bombardeo meteórico que afectó a la Tierra hace 4000 Ma. Por otra parte, la corteza félsica, correspondiente a las primeras rocas terrestres preservadas (TTG), se debió formar, probablemente, por la diferenciación de una corteza máfica en el Hadeano. Actualmente, ha tenido lugar un intenso debate de cómo fue el crecimiento continental a través del tiempo, tema del que se hablará más adelante.

La corteza de la Tierra moderna se recicla en el manto en las zonas de subducción y las nuevas adiciones desde el manto en los arcos son aproximadamente de 70 km3/Ma (von Huene y Scholl, 1991). Condie (2000) sostenía que la formación crustal fue episódica con picos significativos de producción a los 2700, 1900 y 1200 Ma por periodos de 100 Ma, siempre relacionado con probables eventos de superplumas mantélicas. El mismo autor argumentó con posterioridad que el crecimiento de la joven corteza ocurrió principalmente por la sucesiva acreción de nuevos arcos de islas a la masa continental preexistente (Condie, 2002).

Las contribuciones relativas de los procesos de intraplaca (plumas) y arco en la generación de corteza continental forman parte de uno de los debates más activos sobre el origen y evolución de la corteza continental. Este debate presenta una contradicción aparente, por una parte las curvas de crecimiento cortical indican que hubo periodos de rápido crecimiento durante la historia de la Tierra, lo cual se explica mejor con el modelo de plumas mantélicas. Por otra parte, la composición promedia de la corteza continental es muy parecida a la de la corteza de arco dejando poco lugar al modelo de plumas mantélicas. Sería interesante saber en qué medida los magmas de pluma mantélica podrían haber contribuido a la formación de corteza continental Arcaica. Condie (2000) sugirió que, dado que la temperatura potencial del manto era más alta en el Arcaico, hubo más contribución de plumas en este periodo; además, los TTG arcaicos parece que derivan de una fuente máfica enriquecida, posiblemente de pluma, aunque no se conoce la composición de estas.

A lo largo de los años, diferentes científicos han estimado como ha sido el crecimiento continental con el paso del tiempo, estos modelos se ilustran en la figura 5, y se pueden dividir en 2 tipos:

• Una velocidad de crecimiento incrementándose temporalmente, como por ejemplo, la curva de Veizer & Jansen y la de Taylor & McLennan, aunque esta última estima que el inicio del crecimiento continental tuvo unos pequeños picos de crecimiento entre los 4500 y los 4000 Ma.
• Al principio hubo un crecimiento rápido seguido más tarde por un crecimiento más lento o nulo, como por ejemplo, las curvas de Armstrong, de Fyfe y de Reymer & Schubert. La primera muestra un cambio más brusco en el momento en que el crecimiento es nulo, la segunda muestra un cambio de crecimiento menos brusco, pero estima que hacia los 2500 Ma el crecimiento fue negativo, es decir, que se perdió volumen de corteza continental, y la tercera es parecida a la de Armstrong, pero el cambio de crecimiento fue con menos volumen de corteza continental, y después tuvo un crecimiento constante y ascendente.

  

  La comprensión de cómo crecen y se diferencian los continentes sigue siendo un tanto oscura, ya que tenemos pocas pistas en la geología de nuestro planeta que nos ayuden a deducir la evolución de la corteza continental. Diversos autores tienen hipótesis distintas unas a otras. Gastil (1960) sugiere que las edades geocronológicas de crecimiento continental fueron 3400, 3000, 2700 y 1000 Ma, pero no está demostrado. DePaolo (1980) mostró que la evolución secular de los isótopos de Nd en el manto y la corteza requiere que ambos sistemas estén abiertos, con crecimiento de corteza desde el manto superior y, más interesante, que la corteza continental se recicla desde el manto superior. Estudios geoquímicos mostraron que el material de la corteza se hunde y se pierde en el manto (von Huene y Scholl, 1991). Sin embargo, hay 3 ideas en las que casi todos los científicos están de acuerdo: 1) El volumen de la corteza terrestre se ha incrementado a través del tiempo a pesar de que el material continental ha sido erosionado y que la subducción lo devuelve al manto; 2) La tasa de crecimiento de la corteza fue más rápido en el Arcaico que hoy en día; 3) Las edades de formación de la corteza tienden a agruparse en torno a un pequeño número de períodos orogénicos.

  La naturaleza de la contribución del manto a la formación de la corteza continental tiene varios modelos. La tectónica de placas parecía ofrecer evidencias de acumulación horizontal a través de vulcanismo orogénico andesítico en los límites convergentes, el modelo de “andesita” ha sido probablemente el modelo más popular de crecimiento de la corteza terrestre. Este modelo (Taylor, 1967) fue reemplazado por una idea más compleja de acreción de suites bimodales de vulcanismo máfico y félsico

  Un modelo derivado de la hipótesis de la acreción horizontal es el de “subducción caliente” de Defant y Drummond (1990), que llegaron a la conclusión de que la subducción “normal” tal y como la conocemos hoy en día, no puede producir suficiente material para el crecimiento de corteza terrestre. Estos autores proponen que un crecimiento rápido debe implicar la subducción de segmentos de dorsales, y esto supone una temperatura anormalmente alta de la zona de subducción y un incremento ligado de la fusión.

  Algunos autores propusieron la acreción de mesetas oceánicas, es decir, que piezas de la corteza oceánica engrosada por la erupción de material de hot-spot (punto caliente) pudo contribuir al crecimiento de corteza terrestre. Abouchami (1990) y Boher (1992) presentaron detallados datos de campo y geoquímicos para mostrar que un segmento muy grande de la corteza continental juvenil, terrenos con edades de 2100 Ma de Birimian de África Occidental, son restos de la acreción de mesetas oceánicas modificadas por diferenciación a través de procesos orogénicos. La figura 6 refleja los diferentes modelos de crecimiento continental.

Conclusiones

En la actualidad, todavía no se conocen exactamente cuáles fueron los procesos que actuaron en la Tierra primitiva, especialmente si los comparamos con los que tenemos en la Tierra moderna. La tarea de averiguar que pasó en la Tierra en el Arcaico es complicada, ya que prácticamente no hay afloramientos porque estos fueron erosionados o destruidos por los procesos que tenían lugar en esa época. Las suposiciones se basan fundamentalmente en datos geoquímicos y geofísicos, y también en los escasos datos mineralógicos que nos proporcionan las pocas rocas arcaicas que afloran en la superficie. Pero, a pesar de que existen lagunas en los registros geológicos y ambigüedades en la interpretación de algunos terrenos, actualmente sabemos lo suficiente como para trazar una secuencia de los acontecimientos de la Tierra y los procesos principales que operaban entonces. Se considera que, en la historia de nuestro planeta,  ha habido 4 eventos clave, estos han sido: la formación de los océanos, la formación del núcleo terrestre, la separación de la Luna y la acreción de la primera corteza basáltica. De todas formas, hay que tener en cuenta que la composición de las rocas de la Tierra ha ido cambiando a lo largo del tiempo.

Hay muchas discrepancias referentes a las diferencias de composición entre la corteza continental antigua y la actual. Entonces,  ¿Qué pasó en el Arcaico? Este es una pregunta recurrente entre los científicos que estudian el origen de la corteza continental. El debate se centra en cómo es posible que la corteza continental fuese más máfica en el Arcaico que en la actualidad. Hay modelos basados en la tectónica de placas actual y en los de procesos de arco volcánico en la Tierra primitiva y con alto gradiente geotérmico, en la que había una composición TTG predominante.

Uno de los temas más discutidos desde la perspectiva geoquímica es saber cómo se formó la corteza continental. La composición mineralógica y química de los granitoides es una de las principales limitaciones, en particular la de los TTG, que son el componente principal de la corteza continental arcaica. La fuente principal de estas rocas son los basaltos derivados del manto que pueden haber originado magmas silíceos en forma de fusión parcial, o bien por cristalización fraccionada.

Se cree que la tectónica de placas en el arcaico pudo haber operado de forma episódica. Primero, entre los 2700 a los 1800 Ma el manto tenía una convección irregular. Durante 4 o 5 grandes eventos, grandes plumas mantélicas ascendían desde las profundidades hasta la superficie, desplazando material del manto superior y acelerando la velocidad de subducción. Este proceso produjo el incremento de generación de magma granítico y, por tanto, un incremento de formación de corteza continental. La transferencia de calor desde las plumas hizo aumentar la temperatura de la parte superior del manto, lo que dio lugar a la generación de una gruesa corteza oceánica que resistió la subducción. Como consecuencia de esta gruesa corteza se originaba un periodo de dinámica lenta que siguió cada clímax de crecimiento de la corteza. El enfriamiento posterior del manto produjo una disminución de la génesis de corteza oceánica, cuya consecuencia fue la génesis de una corteza oceánica más delgada que permitía más fácilmente la subducción.

La interpretación de los ambientes tectónicos en el Arcaico es una de las principales incógnitas, por lo que se debe seguir estudiando si la evolución de la corteza arcaica es compatible con los procesos que ocurren actualmente en la Tierra, pero no se debe suponer, necesariamente, que el presente sea la clave del pasado.

Agradecimientos

En primer lugar quiero agradecer a Ester Boixereu Vila, editora de Tierra y Tecnología, la oportunidad que me ha dado de publicar el artículo en esta revista, sabe lo importante que es para mí esta primera publicación. En segundo lugar quiero agradecer a Francisco Martínez, el que fue mi tutor del Trabajo de Final de Grado, trabajo del cual se basa este artículo, su ayuda en la revisión de este escrito, sus consejos y sugerencias me han sido muy útiles a la hora de escribir el trabajo.

Referencias

• Abouchami, W.; Boher, M.; Michard, A.; Albarede, F. (1990): A major 2.1 Ga event of mafic magmatism in West Africa: An Early stage of crustal accretion. Journal of Geophysical Research, volume 95, issue B11, pages 17605-17629.
• Albarede, F. (1998). The growth of continental crust. Tectonophysics, 296: 1-14.
• Armstrong, R.L. (1990): The persistent myth of crustal growth. Australian Journal of Earth Sciences, volume 38, issue 5, pages 613-630.
• Boher, M.; Abouchami, W.; Michard, A.; Albarede, F.; Arndt, N. T. (1992): Crustal growth in West Africa at 2.1 Ga. Journal of Geophysical Research, volume 97, issueB1, pages 345-369.
• Condie, Kent C. (2000): Episodic continental growth models: afterthoughts and extensions. Tectonophysics, volume 322, Issues 1-2, pages 153-162.
• Condie, Kent C. (2002): Breakup of a Paleoproterozoic Supercontinent. Gondwana Research, volume 5, Issue 1, pages 41-43.
• DePaolo, D. J. (1980): Crustal growth and mantle evolution: inferences from models of element transport and Nd and Sr isotopes. Geochimica and Cosmochimica Acta, volume 44, issue 8, pages 1185-1196.
• Drummond, M. S., Defant, M. J. (1990): A model from Trondhjemite-tonalite-dacite genesis and crustal growth via slab melting: Archean to modern comparisons. Journal of geophysical research, volume 95, issue B13, pages 21503-21521.
• Fyfe, W. S.; Herzberg, C. T.; Carr, M. J. (1983): Density constraints on the formation of the continental Moho and crust. Contributions to Mineralogy and Petrology, volume 84, issue 1, pages 1-5.
• Gastil, R. G. (1960): The Distribution of mineral dates in time and space. American Journal of Science, volume 258, number 1, pages 1-35.
• Hervé Martin. L’environnement de la terre primitive. Laboratoire Magmas et Volcans, Clermont-Ferrand.
• Hervé Martin; Moyern, J. F.; Guitreau, M.; Toft-Blichert, J.; Le Pennec, J. L. (2014). Why Archean TTG cannot be generated by MORB melting in subduction zones. Lithos, volume 198-199, pages 1-13.
• Jan.Veizer; Siegfried, L. Jansen (1979): Basement and sedimentary recycling and continental evolution. The Journal of Geology, volume 87, number 4, pages 341-370.
• Reymer, A.; Schubert, G. (1984): Phanerozoic addition rates to the continental crust and crustal growth. Tectonics, Volume 3, Issue 1, pages 63-77.
• Taylor, S. R. (1967): The origin and growth of continents. Tecnophysics, volume 4, issue 1, pages 17-34.
• Taylor, S.T.; McLennan, S.M. (1995): The geochemical evolution of the continental crust. Reviews of Geophysics, Volume 33, Issue 2, pages 241-265.
• Von Huene, Roland; Scholl, W. David (1991): Observations at convergent margins concer9nint sediment subduction, subduction erosion, and the growth of continental crust. Reviews of Geophysics, volume 29, Issue 3, pages 279-316.
• Von Huene, Roland; Scholl, W. David (2007): Crustal recycling at modern at modern subduction zones applied to the past – Issues of growth and preservation of continental basement crust, mantle geochemistry, and supercontinent geoconstruction. The Geological Society of America, memoir 200, pages 9-32.

Tierra y Tecnología nº 51 | http://dx.doi.org/10.21028/caa.2018.05.12 | Autora: Cristina Agüera-Àngel. agueraangel87@gmail.com | Petrologia i geoquímica, Departament de Geologia, Universitat Autònoma de Barcelona