2: Desarrollando la Teoría
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La deriva continental se debatió acaloradamente de vez en cuando durante décadas después de la muerte de Wegener antes de que fuera descartada en gran medida por ser excéntrica, estúpida e improbable. Sin embargo, a partir de la década de 1950, surgió una gran cantidad de nuevas evidencias para revivir el debate sobre las provocativas ideas de Wegener y sus implicaciones. En particular, cuatro grandes desarrollos científicos impulsaron la formulación de la teoría placa-tectónica: (1) demostración de la robustez y juventud del fondo oceánico; (2) confirmación de repetidas inversiones del campo magnético de la Tierra en el pasado geológico; (3) emergencia de la hipótesis de expansión del fondo marino y reciclaje asociado de la corteza oceánica; y (4) documentación precisa de que el terremoto y la actividad volcánica del mundo se concentran a lo largo de trincheras oceánicas y cadenas montañosas submarinas.
Mapeo del fondo oceánico
Alrededor de dos tercios de la superficie de la Tierra se encuentra debajo de los océanos. Antes del siglo XIX, las profundidades del océano abierto eran en gran parte una cuestión de especulación, y la mayoría de la gente pensaba que el fondo oceánico era relativamente plano y sin rasgos. Sin embargo, ya en el siglo XVI, unos intrépidos navegantes, al tomar sondeos con líneas de mano, encontraron que el océano abierto puede diferir considerablemente en profundidad, demostrando que el fondo oceánico no era tan plano como se creía generalmente. La exploración oceánica durante los siglos siguientes mejoró drásticamente nuestro conocimiento del fondo oceánico. Ahora sabemos que la mayoría de los procesos geológicos que ocurren en tierra están vinculados, directa o indirectamente, a la dinámica del fondo oceánico.
Las mediciones “modernas” de las profundidades oceánicas aumentaron considerablemente en el siglo XIX, cuando se realizaban rutinariamente sondeos de líneas de profundidad (estudios batimétricos) en el Atlántico y el Caribe. En 1855, una carta batimétrica publicada por el teniente de la Marina estadounidense Matthew Maury reveló la primera evidencia de montañas submarinas en el Atlántico central (a la que llamó “Tierra Media”). Esto fue confirmado posteriormente por buques de reconocimiento que tendieron el cable telegráfico transatlántico. Nuestra imagen del fondo oceánico se agudizó mucho después de la Primera Guerra Mundial (1914-18), cuando los dispositivos de sondeo de eco —sistemas de sonar primitivos— comenzaron a medir la profundidad del océano registrando el tiempo que tardaba una señal sonora (comúnmente un “ping” generado eléctricamente) del barco para rebotar en el fondo del océano y regresar. Los gráficos de tiempo de las señales devueltas revelaron que el fondo oceánico era mucho más accidentado de lo que se pensaba anteriormente Tales mediciones ecosonoras demostraron claramente la continuidad y rugosidad de la cadena montañosa submarina en el Atlántico central (más tarde llamada la Cordillera del Atlántico Medio) sugerida por las mediciones batimétricas anteriores.
La cresta del medio océano (mostrada en rojo) serpentea su camino entre los continentes de manera muy parecida a la costura de una pelota de béisbol.
En 1947, los sismólogos del buque de investigación estadounidense Atlantis encontraron que la capa de sedimentos en el suelo del Atlántico era mucho más delgada de lo que se pensaba originalmente. Los científicos habían creído anteriormente que los océanos han existido desde hace al menos 4 mil millones de años, por lo que la capa de sedimentos debería haber sido muy gruesa. ¿Por qué entonces había tan poca acumulación de roca sedimentaria y escombros en el fondo oceánico? La respuesta a esta pregunta, que vino después de una mayor exploración, resultaría vital para avanzar en el concepto de tectónica de placas.
Mapa topográfico detallado generado por computadora de un segmento de la Cordillera Medio-Oceánica. Los colores “cálidos” (amarillo a rojo) indican que la cresta se eleva sobre el fondo marino, y los colores “fríos” (verde a azul) representan elevaciones más bajas. Esta imagen (a 9° de latitud norte) es de una pequeña parte del Ascenso del Pacífico Oriental. (Imágenes cortesía de Stacey Tighe, Universidad de Rhode Island.)
En la década de 1950, la exploración oceánica se expandió enormemente. Los datos recopilados por encuestas oceanográficas realizadas por muchas naciones llevaron al descubrimiento de que una gran cordillera en el fondo oceanográfico rodeaba prácticamente la Tierra. Llamada la cresta global del medio océano, esta inmensa cadena montañosa submarina —de más de 50,000 kilómetros (km) de largo y, en algunos lugares, a más de 800 km de ancho— zig-zaga entre los continentes, enrollándose alrededor del globo como la costura de una pelota de béisbol. Al elevarse un promedio de unos 4.500 metros (m) sobre el fondo del mar, la cresta oceánica ensombrece todas las montañas de Estados Unidos excepto el monte McKinley (Denali) en Alaska (6.194 m). Aunque escondido bajo la superficie del océano, el sistema global de crestas oceánicas es la característica topográfica más prominente en la superficie de nuestro planeta.
Rayas magnéticas e inversiones polares
A partir de la década de 1950, los científicos, utilizando instrumentos magnéticos (magnetómetros) adaptados a partir de dispositivos aerotransportados desarrollados durante la Segunda Guerra Mundial para detectar submarinos, comenzaron a reconocer extrañas variaciones magnéticas a través del fondo oceánico. Este hallazgo, aunque inesperado, no fue del todo sorprendente porque se sabía que el basalto -la roca volcánica rica en hierro que forma el fondo oceánico- contiene un mineral fuertemente magnético (magnetita) y puede distorsionar localmente las lecturas de la brújula. Esta distorsión fue reconocida por los marineros islandesas ya a finales del siglo XVIII. Más importante aún, debido a que la presencia de magnetita le da al basalto propiedades magnéticas medibles, estas variaciones magnéticas recién descubiertas proporcionaron otro medio para estudiar el fondo oceánico profundo.
Un modelo teórico de la formación de bandas magnéticas. La nueva corteza oceánica que se forma continuamente en la cresta de la cresta del océano medio se enfría y se vuelve cada vez más antigua a medida que se aleja de la cresta de la cresta con la expansión del fondo marino (ver texto): a. la cresta que se extiende hace unos 5 millones de años; b. hace aproximadamente 2 a 3 millones de años; y c. actual.
A principios del siglo XX, paleomagnetistas (los que estudian el antiguo campo magnético de la Tierra) —como Bernard Brunhes en Francia (en 1906) y Motonari Matuyama en Japón (en la década de 1920 )— reconocieron que las rocas generalmente pertenecen a dos grupos según su magnetismo propiedades. Un grupo tiene la llamada polaridad normal, caracterizada por que los minerales magnéticos en la roca tienen la misma polaridad que la del campo magnético actual de la Tierra. Esto daría como resultado que el extremo norte de la “aguja de la brújula” de la roca apuntara hacia el norte magnético. El otro grupo, sin embargo, tiene polaridad invertida, indicada por una alineación de polaridad opuesta a la del campo magnético actual de la Tierra. En este caso, el extremo norte de la aguja de la brújula de la roca apuntaría hacia el sur. ¿Cómo podría ser esto? Esta respuesta radica en la magnetita en roca volcánica. Los granos de magnetita —que se comportan como pequeños imanes— pueden alinearse con la orientación del campo magnético de la Tierra. Cuando el magma (roca fundida que contiene minerales y gases) se enfría para formar roca volcánica sólida, la alineación de los granos de magnetita se “bloquea”, registrando la orientación magnética o polaridad de la Tierra (normal o invertida) en el momento del enfriamiento.
La parte central de la figura —que representa el fondo profundo del océano con el mar removido mágicamente— muestra las bandas magnéticas (ver texto) mapeadas por estudios oceanográficos en alta mar del noroeste del Pacífico. Las líneas negras delgadas muestran fallas de transformación (discutidas más adelante) que compensan el rayado.
A medida que se mapeaba cada vez más el fondo marino durante la década de 1950, las variaciones magnéticas resultaron no ser ocurrencias aleatorias o aisladas, sino que revelaron patrones reconocibles. Cuando estos patrones magnéticos fueron mapeados en una amplia región, el fondo oceánico mostró un patrón similar a cebra. Se colocaron franjas alternas de rocas magnéticamente diferentes en hileras a ambos lados de la cresta oceánica: una franja con polaridad normal y la franja contigua con polaridad invertida. El patrón general, definido por estas bandas alternas de roca polarizada normal e inversamente, se conoció como bandas magnéticas.
Difundir el fondo marino y reciclar la corteza oceánica
El descubrimiento de las bandas magnéticas naturalmente provocó más preguntas: ¿Cómo se forma el patrón de bandas magnéticas? ¿Y por qué las franjas son simétricas alrededor de las crestas de las crestas del océano medio? Estas preguntas no podían ser respondidas sin conocer también el significado de estas crestas. En 1961, los científicos comenzaron a teorizar que las crestas oceánicas marcan zonas estructuralmente débiles donde el fondo oceánico estaba siendo rasgado en dos a lo largo de la cresta de la cresta. El nuevo magma de lo profundo de la Tierra se eleva fácilmente a través de estas zonas débiles y eventualmente entra en erupción a lo largo de la cresta de las crestas para crear una nueva corteza oceánica. Este proceso, más tarde llamado propagación del fondo marino, que opera durante muchos millones de años ha construido el sistema de 50 mil kilómetros de largo de crestas oceánicas. Esta hipótesis fue apoyada por varias líneas de evidencia: (1) en o cerca de la cresta de la cresta, las rocas son muy jóvenes y se vuelven progresivamente más viejas lejos de la cresta de la cresta; (2) las rocas más jóvenes en la cresta de la cresta siempre tienen polaridad actual (normal); y (3) franjas de roca paralelas a la cresta de cresta alternó en polaridad magnética (normal-inverso-normal, etc.), lo que sugiere que el campo magnético de la Tierra ha volteado muchas veces. Al explicar tanto el rayado magnético cebra como la construcción del sistema de crestas oceánicas, la hipótesis de propagación del fondo marino rápidamente ganó conversos y representó otro avance importante en el desarrollo de la teoría placa-tectónica. Además, la corteza oceánica llegó ahora a ser apreciada como una “grabación en cinta” natural de la historia de las inversiones en el campo magnético de la Tierra.
La evidencia adicional de propagación del fondo marino proviene de una fuente inesperada: la exploración petrolera. En los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial, las reservas continentales de petróleo se estaban agotando rápidamente y la búsqueda de petróleo en alta mar estaba en marcha. Para llevar a cabo la exploración en alta mar, las compañías petroleras construyeron buques equipados con una plataforma de perforación especial y la capacidad de transportar muchos kilómetros de tubería de perforación. Esta idea básica se adaptó posteriormente en la construcción de un buque de investigación, llamado el Glomar Challenger, diseñado específicamente para estudios de geología marina, incluida la recolección de muestras de núcleos de perforación del fondo oceánico profundo. En 1968, el buque se embarcó en una expedición científica de un año de duración, cruzando la cordillera del Atlántico Medio entre América del Sur y África y perforando muestras de núcleos en ubicaciones específicas. Cuando las edades de las muestras fueron determinadas por estudios paleontológicos e isotópicos de datación, proporcionaron la evidencia remachadora que probó la hipótesis de propagación del fondo marino.
Arriba: El Glomar Challenger fue el primer buque de investigación diseñado específicamente a fines de la década de 1960 con el propósito de perforar y tomar muestras de núcleos del fondo oceánico profundo. Abajo: La Resolución JOIDES es el buque de perforación en aguas profundas de la década de 1990 (JOIDES = Instituciones Oceanográficas Conjuntas para Muestreo Profundo de Tierra). Este barco, que transporta más de 9,000 m de tubería de perforación, es capaz de un posicionamiento más preciso y una perforación más profunda que el Glomar Challenger. (Fotografías cortesía del Ocean Drilling Program, Texas A & M University.)
Una consecuencia profunda de la propagación del fondo marino es que la nueva corteza fue, y ahora se está creando continuamente a lo largo de las crestas oceánicas. Esta idea encontró gran favor con algunos científicos que afirmaron que el desplazamiento de los continentes puede explicarse simplemente por un gran aumento en el tamaño de la Tierra desde su formación. Sin embargo, esta hipótesis de la llamada “Tierra en expansión” no fue satisfactoria porque sus partidarios no podían ofrecer ningún mecanismo geológico convincente para producir una expansión tan enorme y repentina. La mayoría de los geólogos creen que la Tierra ha cambiado poco, si acaso, de tamaño desde su formación hace 4.6 mil millones de años, planteando una pregunta clave: ¿cómo se puede agregar continuamente nueva corteza a lo largo de las crestas oceánicas sin aumentar el tamaño de la Tierra?
Esta pregunta intrigó particularmente a Harry H. Hess, geólogo de la Universidad de Princeton y contraalmirante de la Reserva Naval, y a Robert S. Dietz, científico del Servicio de Costa y Geodésico de Estados Unidos que acuñó por primera vez el término propagación del fondo marino. Dietz y Hess estuvieron entre los pequeños que realmente entendieron las amplias implicaciones de la propagación del fondo marino. Si la corteza terrestre se estaba expandiendo a lo largo de las crestas oceánicas, razonó Hess, debe estar encogiéndose en otra parte. Sugirió que la nueva corteza oceánica se extendía continuamente lejos de las crestas en un movimiento similar a una cinta transportadora. Muchos millones de años después, la corteza oceánica finalmente desciende a las trincheras oceánicas, cañones muy profundos y estrechos a lo largo del borde de la cuenca del Océano Pacífico. Según Hess, el Océano Atlántico se estaba expandiendo mientras que el Océano Pacífico se estaba encogiendo. A medida que la vieja corteza oceánica se consumía en las trincheras, el nuevo magma se levantó y estalló a lo largo de las crestas extendidas para formar nueva corteza. En efecto, las cuencas oceánicas estaban siendo perpetuamente “recicladas”, con la creación de nueva corteza y la destrucción de la vieja litosfera oceánica ocurriendo simultáneamente. Así, las ideas de Hess explicaron claramente por qué la Tierra no se hace más grande con la propagación del fondo marino, por qué hay tan poca acumulación de sedimentos en el fondo oceánico y por qué las rocas oceánicas son mucho más jóvenes que las rocas continentales.
Concentración de sismos
Durante el siglo XX, las mejoras en la instrumentación sísmica y un mayor uso de instrumentos de registro sísmico (sismógrafos) en todo el mundo permitieron a los científicos conocer que los sismos tienden a concentrarse en ciertas áreas, sobre todo a lo largo de las trincheras oceánicas y crestas en expansión. A finales de la década de 1920, los sismólogos comenzaban a identificar varias zonas sísmicas prominentes paralelas a las trincheras que típicamente estaban inclinadas 40-60° desde la horizontal y se extendían varios cientos de kilómetros hacia la Tierra. Estas zonas más tarde se conocieron como zonas Wadati-Benioff, o simplemente zonas Benioff, en honor a los sismólogos que las reconocieron por primera vez, Kiyoo Wadati de Japón y Hugo Benioff de Estados Unidos. El estudio de la sismicidad global avanzó mucho en la década de 1960 con el establecimiento de la Red Mundial de Sismógrafos Estandarizados (WWSSN) para monitorear el cumplimiento del tratado de 1963 que prohíbe los ensayos sobre el suelo de armas nucleares. Los datos muy mejorados de los instrumentos WWSSN permitieron a los sismólogos mapear con precisión las zonas de concentración sísmica en todo el mundo.
Ya en la década de 1920, los científicos señalaron que los sismos se concentran en zonas estrechas muy específicas (ver texto). En 1954, el sismólogo francés J.P. Rothé publicó este mapa que muestra la concentración de sismos a lo largo de las zonas señaladas por puntos y áreas rayadas. (Ilustración original reproducida con permiso de la Royal Society of London.)
Pero, ¿cuál era el significado de la conexión entre sismos y trincheras y crestas oceánicas? El reconocimiento de tal conexión ayudó a confirmar la hipótesis de propagación del fondo marino al señalar las zonas donde Hess había predicho que se está generando la corteza oceánica (a lo largo de las crestas) y las zonas donde la litosfera oceánica se hunde de nuevo en el manto (debajo de las trincheras).