Ciencias de la Tierra y del espacio de bachillerato · Grades 10–12
15Las zonas de subducción
Bajo las islas Tonga, en el suroeste del Pacífico, la Tierra tiembla a mucha más profundidad que en ningún otro lugar. De los siete mil terremotos de magnitud 6 o más registrados en todo el mundo entre 1976 y 2025, el más profundo se produjo a , y el corte a través de Tonga de este capítulo contiene sucesos hasta unos . A esas profundidades la roca está caliente y sometida a una presión enorme; debería fluir lentamente, como la astenosfera, y no romperse. Sin embargo, se rompe. Este capítulo explica qué hay allí que pueda romperse: una losa de fondo oceánico frío que vuelve a hundirse en el manto.
Lo que ya sabes
En un límite convergente, dos placas se mueven una hacia la otra; algunos están bordeados por fosas profundas (Libro 1, años 7 y 8). La magnitud de un terremoto mide su tamaño, y un terremoto bajo el mar puede provocar un tsunami (Libro 1, año 7). La velocidad de una placa respecto de otra es la diferencia de sus velocidades (el Capítulo 13). El fondo oceánico se hunde a medida que envejece, y al cabo de unos 60 millones de años su litosfera, de unos de espesor, es más densa que la astenosfera que tiene debajo (el Capítulo 14). Las ondas sísmicas muestran un cambio brusco en el manto a unos (el Capítulo 11). Una roca metamórfica es una roca transformada en estado sólido (Libro 1, año 6).
15.1 Fosas y zonas inclinadas de terremotos
La mayoría de los terremotos son someros: en el catálogo de magnitud 6 o más desde 1976, solo alrededor de uno de cada cinco está a más de de profundidad, y uno de cada quince a más de . El mapa siguiente muestra dónde están los profundos.
Los terremotos profundos no están dispersos: siguen las fosas del Pacífico occidental, de Kamchatka a Japón, las Marianas, Indonesia y Tonga, y la fosa que bordea la costa oeste de América del Sur; y siempre están a un lado de la fosa, bajo la placa que no se hunde.
Definición 15.1 (Subducción; zona de subducción)
La subducción es el hundimiento de una placa de litosfera oceánica bajo otra placa, de vuelta al manto. Una zona de subducción es un límite de placas convergente en el que se produce la subducción; en la superficie la señala una fosa.
Definición 15.2 (Zona de Wadati–Benioff)
Una zona de Wadati–Benioff es la franja inclinada de terremotos que empieza en una fosa y se hace cada vez más profunda bajo la placa cabalgante, hasta unos como mucho.
Historia — Wadati y Benioff
En la década de 1920, sismólogos destacados sostenían que los terremotos solo podían producirse en las primeras decenas de kilómetros: la Tierra más profunda, razonaban, no tenía resistencia para acumular la deformación. El sismólogo japonés Kiyoo Wadati, que trabajaba con la densa red de estaciones de la Agencia Meteorológica de Japón, aportó a partir de 1928 las primeras pruebas convincentes de que algunos terremotos están a cientos de kilómetros de profundidad: uno de los sucesos que estudió, en enero de 1927, estaba a . En 1935 publicó el primer mapa de las profundidades de estos terremotos, trazado con curvas de nivel, y observó que la zona que se hacía más profunda corría paralela a la línea de volcanes activos. En 1949 y 1954, el sismólogo estadounidense Hugo Benioff mostró que bajo los Andes y las islas Tonga–Kermadec los terremotos se sitúan a lo largo de zonas que alcanzan unos de profundidad. Las zonas se llamaron primero zonas de Benioff, en 1967; el nombre de zona de Wadati–Benioff, que reconoce el mérito de ambos, sigue una propuesta del geofísico japonés Seiya Uyeda en 1971.
Método 15.3 (Leer un corte de terremotos)
- Elige una línea perpendicular a la fosa, desde la fosa hacia la placa cabalgante, y conserva los terremotos situados dentro de una franja a cada lado de ella.
- Representa cada terremoto en su distancia a lo largo de la línea (en horizontal) y en su profundidad (en vertical, hacia abajo).
- Busca la franja inclinada; traza la recta que mejor la sigue.
- Lee el buzamiento de la franja a partir de dos puntos de la recta (proposición siguiente).
Proposición 15.4 (El buzamiento de una losa a partir de un corte de terremotos)
Si dos puntos de la recta que sigue una zona de Wadati–Benioff están a distancias horizontales de la fosa y a profundidades y , su buzamiento , el ángulo que forma con la horizontal, cumple
Demostración. Los dos puntos y el punto situado a la profundidad en la vertical del segundo forman un triángulo rectángulo. Su cateto horizontal es , su cateto vertical , y el ángulo en el primer punto es el buzamiento. La tangente de un ángulo de un triángulo rectángulo es el cateto opuesto dividido entre el cateto contiguo. ∎
Ejemplo 15.5 (El buzamiento bajo Tonga)
La recta del corte de Tonga pasa a de profundidad a de la fosa y a de profundidad a . Así, , y . Bajo los Andes, a S, el mismo método da unos .
La zona de Wadati–Benioff dibuja una placa que desciende. Los terremotos someros se producen donde las dos placas rozan una contra otra, cerca de la fosa; los más profundos, dentro de la propia placa que se hunde.
15.2 Por qué se hunde la litosfera antigua
Definición 15.6 (Losa)
Una losa es la parte de una placa que ya se ha hundido en el manto en una zona de subducción: una lámina de litosfera oceánica, de unos cien kilómetros de espesor, inclinada bajo la placa cabalgante.
Lo que desciende es fondo oceánico antiguo. Según la edad del fondo oceánico, el fondo que llega a la fosa de Japón, al este de Japón, tiene unos 133 millones de años, y el que llega a la fosa de Tonga, unos 99 millones de años; incluso el fondo que llega a los Andes, de los más jóvenes que se hunden, tiene unos 49 millones de años. Una litosfera tan antigua es fría y gruesa y, salvo su corteza ligera, más densa que la astenosfera: en cuanto uno de sus bordes empieza a descender, su propio peso tira de ella hacia abajo.
Definición 15.7 (Tirón de la losa; empuje de la dorsal)
El tirón de la losa es la fuerza que una losa que se hunde, más densa que el manto que la rodea, ejerce sobre el resto de su placa, y que tira de ella hacia la fosa. El empuje de la dorsal es la fuerza que aleja una placa de una dorsal, donde la litosfera joven y caliente está alta sobre su dorsal elevada y se desliza por su pendiente.
¿Cuál de las dos importa más? En 1975, Donald Forsyth y Seiya Uyeda calcularon la intensidad de cada fuerza a partir de las velocidades y las formas de las placas: las fuerzas sobre las losas que se hunden controlan la velocidad de las placas oceánicas, y son unas diez veces más intensas que cualquier otra fuerza. Las velocidades actuales de las placas lo muestran con claridad.
Proposición 15.8 (Las placas unidas a losas son rápidas)
Las cinco grandes placas de las que cuelga una losa larga (Cocos, Nazca, Pacífico, Australia, mar de Filipinas) se mueven de media a unos al año; las ocho que no la tienen, a unos al año, casi tres veces más despacio. Cada placa del primer grupo es más rápida que todas las del segundo.
Demostración. A partir de las velocidades medias publicadas, las placas con losa dan y las demás (milímetros al año); la placa con losa más lenta, la del mar de Filipinas, con 52.6, es más rápida que la más rápida de las demás, Arabia, con 47.6. ∎
15.3 La losa transformada en profundidad
Mientras la losa desciende, su corteza de basalto y gabro queda enterrada cada vez más hondo sin dejar de estar fría, porque la losa se hunde más deprisa de lo que el calor puede llegar a su interior. Las rocas de la corteza cambian de minerales sin fundirse: se metamorfizan (el Capítulo 21). Dos rocas señalan el camino.
Definición 15.9 (Esquisto azul; eclogita)
El esquisto azul es una roca metamórfica formada a partir del basalto de la corteza oceánica enterrado a alta presión mientras sigue relativamente frío; lo colorea de azul el mineral glaucofana. La eclogita es la roca metamórfica densa en la que se convierten el basalto y el gabro a las profundidades del manto a lo largo de las zonas de subducción: tiene la misma composición química, pero está formada por granate rojo y piroxeno verde.
La eclogita es más densa que el basalto; es incluso más densa que la peridotita del manto, en alrededor de un . Cuando su corteza se ha convertido en eclogita, la losa ya no lleva encima una capa ligera: toda la losa es más densa que el manto que la rodea, y tira con más fuerza. Las rocas de este tipo, devueltas a la superficie por movimientos posteriores, son de los pocos testigos directos de lo que ocurre a decenas de kilómetros de profundidad en una zona de subducción.
15.4 La anatomía de una zona de subducción
Del océano al continente, o al océano siguiente, una zona de subducción tiene siempre las mismas partes.
- La fosa, donde la placa que se hunde se dobla hacia abajo: los lugares más profundos de los océanos.
- El antearco, entre la fosa y la línea de volcanes. Su borde es un montón de sedimentos arrancados de la placa que se hunde; debajo, las dos placas se deslizan una contra otra a lo largo del límite de placas, una falla de poca inclinación en la que se producen grandes terremotos, como el de 2011 frente a Japón (ejemplo siguiente).
- El arco volcánico, una línea de volcanes paralela a la fosa, en islas (Tonga, las Marianas, Japón) o en un continente (los Andes); por qué se forma es el tema del Capítulo 22.
- Detrás de algunos arcos, un trasarco, donde la placa cabalgante se estira; detrás de Tonga se está separando.
Detrás de Tonga, el estiramiento del trasarco lleva el propio arco hacia la placa del Pacífico, como ha mostrado el posicionamiento por satélite. La velocidad a la que convergen los dos lados de la fosa de Tonga es, por tanto, mayor que la velocidad propia de cada placa: según el modelo PB2002, unos al año hacia S.
Ejemplo 15.10 (El terremoto de Tōhoku, 2011)
El 11 de marzo de 2011, un terremoto de magnitud 9.1 sacudió el mar frente a la costa nordeste de Honshu, en Japón. Se produjo a unos de profundidad, en el propio límite de placas, donde la placa del Pacífico, que se mueve hacia el oeste a unos al año respecto de la placa que lleva el norte de Japón, se hunde bajo ella en la fosa de Japón. Los dos lados de la falla se desplazaron uno respecto del otro hasta 50 a , en una superficie de unos de largo y de ancho. El fondo marino de encima se movió con ellos y provocó un tsunami que alcanzó de altura en la costa; murieron al menos personas y quedaron desaparecidas. La misma costa había sufrido tsunamis de esta zona de subducción en 1611, 1896 y 1933, y quizá uno tan grande como el de 2011 en el año 869.
15.5 Ejercicios
Ejercicio 15.1 ★
Define la subducción y una zona de subducción. ¿Qué tipo de litosfera se hunde en una zona de subducción, y por qué ese tipo?
Solución
Solución de Ejercicio 15.1.
La subducción es el hundimiento de una placa de litosfera oceánica bajo otra placa, de vuelta al manto; una zona de subducción es un límite de placas convergente donde se produce, señalado por una fosa. Se hunde la litosfera oceánica: cuando es antigua, es fría, gruesa y más densa que la astenosfera que tiene debajo. La corteza continental es demasiado ligera para hundirse.
Ejercicio 15.2 ★
Con el mapa mundial de terremotos según su profundidad: (1) nombra tres regiones con terremotos a más de de profundidad; (2) ¿a qué lado de una fosa están los terremotos profundos? (3) A lo largo de la dorsal mesoatlántica, ¿a qué profundidad están los terremotos?
Solución
Solución de Ejercicio 15.2.
(1) Por ejemplo, la región de Tonga–Fiyi, el Pacífico occidental de Japón a las Marianas, Indonesia y América del Sur. (2) Siempre del lado de la placa cabalgante, nunca del lado oceánico. (3) Someros: todos los terremotos de la dorsal mesoatlántica del mapa están a menos de de profundidad.
Ejercicio 15.3 ★
El catálogo contiene terremotos de magnitud 6 o más, de los que el están a más de de profundidad y el a más de . ¿Cuántos terremotos son en cada caso?
Solución
Solución de Ejercicio 15.3.
terremotos a más de ; a más de .
Ejercicio 15.4 ★
Define el esquisto azul y la eclogita. ¿Qué tienen en común los dos con el basalto de la corteza oceánica? ¿En qué se diferencian?
Solución
Solución de Ejercicio 15.4.
El esquisto azul es una roca metamórfica formada a partir del basalto de la corteza oceánica enterrado a alta presión mientras sigue relativamente frío, coloreada de azul por la glaucofana; la eclogita es la roca metamórfica densa en la que se convierten el basalto y el gabro a las profundidades del manto, formada por granate rojo y piroxeno verde. Las dos proceden de la corteza oceánica y conservan su composición química; lo que cambia son los minerales, formados en estado sólido con la nueva presión y la nueva temperatura, y la densidad.
Ejercicio 15.5 ★
Enumera en orden las partes de una zona de subducción, desde el fondo oceánico que se mueve hacia la fosa hasta el trasarco, diciendo en una línea qué ocurre en cada una.
Solución
Solución de Ejercicio 15.5.
Fondo oceánico: litosfera antigua que se mueve hacia la fosa. Fosa: la placa se dobla hacia abajo y empieza a hundirse. Antearco: se acumulan los sedimentos arrancados de la placa que se hunde; debajo, las dos placas se deslizan una contra otra en el límite de placas, donde se producen grandes terremotos. Arco volcánico: una línea de volcanes sobre la losa. Trasarco: detrás de algunos arcos, la placa cabalgante se estira.
Ejercicio 15.6 ★★
En el corte de los Andes, la recta que sigue los terremotos pasa a de profundidad a de la fosa y a de profundidad a . Calcula el buzamiento de la losa.
Solución
Solución de Ejercicio 15.6.
, luego .
Ejercicio 15.7 ★★
Una losa recta empieza en una fosa y buza . (1) ¿A qué profundidad está a de la fosa? (2) ¿A qué distancia de la fosa llega a ? (3) ¿Qué longitud de losa hay entre la fosa y ?
Ejercicio 15.8 ★★
Las velocidades medias de las placas son, en milímetros al año: Cocos 74.6, Nazca 70.0, Pacífico 65.5, Australia 63.1, mar de Filipinas 52.6 (con losas); Arabia 47.6, Somalia 31.0, Nubia 29.2, Eurasia 22.8, América del Norte 19.8, Antártida 15.2, Caribe 14.9, América del Sur 10.6 (sin ellas). (1) Calcula la media de cada grupo y su cociente. (2) ¿Qué sugiere esto sobre la fuerza que mueve las placas?
Solución
Solución de Ejercicio 15.8.
(1) al año; al año; cociente . (2) Las placas se mueven más deprisa cuando de ellas cuelga una losa: el tirón de la losa que se hunde es la fuerza más intensa que mueve las placas, como concluyeron Forsyth y Uyeda.
Ejercicio 15.9 ★★
En 2011, la falla frente a Japón se desplazó hasta 50 a . La placa del Pacífico se acerca a al año. (1) ¿Cuántos años de movimiento de la placa representa un desplazamiento de , y luego uno de ? (2) Compáralo con el tiempo transcurrido desde 869, fecha de un posible terremoto anterior del mismo tamaño.
Solución
Solución de Ejercicio 15.9.
(1) son : años y años de movimiento de la placa. (2) De 869 a 2011 van 1142 años: del mismo orden. Si el límite de placas permanece bloqueado entre grandes terremotos, el desplazamiento de 2011 liberó varios siglos de movimiento acumulado.
Ejercicio 15.10 ★★
El fondo oceánico que llega a la fosa de Japón tiene unos 133 millones de años, el que llega a Tonga unos 99 y el que llega a los Andes unos 49. (1) Con las leyes del Capítulo 14 ( para , más allá), halla la profundidad de cada uno. (2) ¿Cuál es la litosfera más fría y más densa?
Solución
Solución de Ejercicio 15.10.
(1) Japón: ; Tonga: ; Andes: . (2) El fondo que llega a Japón: el más antiguo, y por tanto la litosfera más fría y más densa, y el fondo más hondo.
Ejercicio 15.11 ★★
El basalto de la corteza oceánica tiene una densidad de unos , el manto que rodea la losa , y la eclogita es un más densa que el manto. (1) Halla la densidad de la eclogita. (2) ¿En qué porcentaje aumenta la densidad de la corteza cuando se convierte en eclogita? (3) Antes y después, ¿es la corteza más ligera o más densa que el manto, y en cuánto?
Solución
Solución de Ejercicio 15.11.
(1) . (2) : un aumento de alrededor del . (3) Antes, la corteza es más ligera que el manto en ; después, es más densa en unos . Ya no sostiene la losa: tira de ella hacia abajo.
Ejercicio 15.12 ★★★
El calor se propaga por conducción a una distancia de unos en un tiempo , con para la roca. (1) Calcula esta distancia para 6 millones de años (). (2) Compárala con el espesor de una losa, unos . (3) Explica por qué puede haber terremotos dentro de una losa a mientras el manto que la rodea fluye.
Solución
Solución de Ejercicio 15.12.
(1) s; , unos . (2) Mucho menos que : en 6 millones de años solo se calienta la piel exterior de la losa; su interior sigue frío. (3) La roca fría es rígida y puede romperse, mientras que el manto caliente que la rodea fluye; los terremotos profundos se producen dentro de la losa fría.
Ejercicio 15.13 ★★★
Bajo los Andes, a S, la recta del corte llega a a de la fosa, y las placas convergen a al año. (1) Estima la longitud de la losa desde la fosa hasta . (2) ¿Cuánto tarda un trozo de fondo oceánico en llegar a ? (3) Compáralo con Tonga, donde el mismo viaje dura unos 6 millones de años.
Solución
Solución de Ejercicio 15.13.
(1) . (2) al año son por millón de años: millones de años. (3) Unas tres veces más que bajo Tonga: la losa bajo los Andes se hunde más despacio y con un buzamiento más suave.
Ejercicio 15.14 ★★★
Toma una losa de de espesor, más densa que el manto que la rodea en de media, y de de longitud, bajo una fosa. (1) Calcula el exceso de masa de la losa por cada metro de fosa. (2) Calcula su peso, con . (3) ¿Por qué puede esta fuerza tirar de toda la placa?
Solución
Solución de Ejercicio 15.14.
(1) Una rebanada de de ancho a lo largo de la fosa tiene un volumen de ; su exceso de masa es . (2) Su exceso de peso es por cada metro de fosa. (3) La losa está unida al resto de la placa, que es rígida: la fuerza se transmite a toda la placa, que es arrastrada hacia la fosa, tanto más cuanto que las fosas se extienden a lo largo de miles de kilómetros.
Ejercicio 15.15 ★★★
A lo largo de la fosa de Tonga, el modelo PB2002 da una convergencia de al año a S y de al año a S. (1) ¿Qué distancia separa los dos puntos, a lo largo de un meridiano ()? (2) ¿Cuánto aumenta la velocidad por cada cien kilómetros? (3) La placa del Pacífico se mueve más o menos a la misma velocidad en los dos puntos. ¿Qué debe estar haciendo el otro lado de la fosa, el arco de Tonga?
Solución
Solución de Ejercicio 15.15.
(1) . (2) La velocidad aumenta al año en , unos al año por cada cien kilómetros. (3) La convergencia es la velocidad de la placa del Pacífico menos la del arco. Como la velocidad de la placa del Pacífico es más o menos la misma en los dos puntos, el propio arco tiene que moverse hacia la placa del Pacífico, cada vez más deprisa hacia el norte: el trasarco que tiene detrás se está estirando, más en el norte que en el sur.
15.6 Problema: la losa de Tonga
Problema 15.1
Problema de fin de semana — de la fosa a
Bajo la fosa de Tonga, la placa del Pacífico se hunde hacia el oeste. Usa el corte de Tonga de este capítulo, cuya recta es (las dos en kilómetros, con medida desde la fosa hacia el arco).
Parte I — El corte de terremotos.
- ¿A qué profundidad está el terremoto más profundo del corte?
- ¿Por qué no hay terremotos profundos del lado oceánico de la fosa?
- Calcula la profundidad de la recta en y , y luego el buzamiento de la losa.
- ¿A qué distancia horizontal de la fosa está la losa a de profundidad? ¿Y a ?
- La recta pasa por encima de la fosa en . ¿Qué te indica esto sobre la forma de la losa cerca de la fosa?
Parte II — La convergencia.
- Las placas convergen a ambos lados de la fosa a unos al año. Conviértelo en centímetros al año y en kilómetros por millón de años.
- La placa del Pacífico se mueve sobre Hawái a unos al año. ¿Cuántas veces más rápida es la convergencia en Tonga?
- Con la suma de las velocidades relativas, explica cómo la convergencia puede superar la velocidad de la placa del Pacífico.
- El fondo que llega a la fosa tiene unos 99 millones de años. ¿A qué profundidad está (ley exponencial del Capítulo 14)?
- ¿Por qué puede hundirse por sí sola una litosfera así?
Parte III — Hasta .
- ¿A qué distancia horizontal de la fosa llega la recta a ?
- Estima la longitud de la losa desde la fosa hasta ese punto, tratándola como recta.
- ¿Cuánto tarda un trozo de fondo oceánico en recorrer esta longitud a al año?
- ¿Cuánto tardaría a los al año de la placa del Pacífico sobre Hawái?
- Por el camino, la corteza de la losa se convierte en eclogita, un más densa que el manto, de . ¿Cuál es su densidad, y qué cambia esto para la losa?
Parte IV — Una losa fría en un manto caliente.
- Durante el tiempo de la pregunta 13, el calor se propaga por conducción a unos , con . Calcula esta distancia.
- Compárala con el espesor de la losa, unos . ¿Sigue la losa fría por dentro cuando llega a ?
- ¿Por qué explica esto los terremotos a y más bajo Tonga?
- ¿Qué cambio en el manto revelaron las ondas sísmicas hacia (el Capítulo 11)?
- Concluye: ¿cuánto tarda el fondo oceánico del Pacífico en ir de la fosa de Tonga hasta ?
Solución
Solución de Problema 15.1.
1. A unos .
2. Del lado oceánico la placa todavía no se ha hundido: allí la litosfera está cerca de la superficie. Los terremotos profundos se producen dentro de la losa, que solo está bajo la placa cabalgante.
3. y ; , luego .
4. y .
5. Una recta con este buzamiento que empezara en la fosa pasaría por en ; la recta queda por encima. La losa no es recta: cerca de la fosa buza más suavemente, y se empina en profundidad.
6. al año, por millón de años.
7. veces más rápida.
8. La convergencia a ambos lados de la fosa es la velocidad de la placa del Pacífico menos la velocidad del arco del otro lado. Si el arco se mueve hacia la placa del Pacífico, como ocurre mientras se estira el trasarco que tiene detrás, las dos velocidades se suman, y la convergencia es mayor que la velocidad de la placa del Pacífico sola.
9. .
10. Al cabo de unos 60 millones de años, la litosfera oceánica es, en su conjunto, más densa que la astenosfera que tiene debajo; a los 99 millones de años es todavía más densa. En cuanto su borde desciende, su peso arrastra al resto.
11. .
12. .
13. millones de años.
14. millones de años.
15. : la corteza, antes más ligera que el manto, pasa a ser más densa que él, y toda la losa tira con más fuerza.
16. s, y .
17. es poco al lado de : solo se ha calentado la parte exterior de la losa; su interior sigue frío cuando llega a .
18. La losa fría sigue siendo lo bastante rígida para romperse, hasta su extremo, mientras el manto caliente que la rodea fluye: los terremotos bajo Tonga se producen dentro de la losa, hasta unos .
19. Las ondas sísmicas muestran un cambio brusco en el manto a unos : allí sus velocidades dan un salto.
20. Unos 6 millones de años desde la fosa hasta .