UNIVERSIDADE FED EDER ERAL AL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA DEP EPAR ART TAMENT AMENTO O DE GEOLOGIA EOTEC TECTÔ TÔNI NICA CA E GEOCRONOLOGIA DISCIPLINA: GEO
HOT SPOTS E PLUMAS MANTÉLICAS ORIGEM E CLASSIFICAÇÃO ALUNOS: FILIPE R AMOS AMOS DE ALBUQUERQUE JADEÍLSON E. DE ARAÚJO FERREIRA WELDOM SARAIVA DE SOUZA
DOCENTE: DR. FERNANDO CÉSAR ALVE VESS DA SILVA
INTRODUÇÃO •
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O que é um hot spot? Wilson (1963): primeiro trabalho sugerindo magmatismos estacionários Morgan (1971) – modelo de plumas rápida aceitação Estudos começaram a colocar em cheque o modelo de plumas Dualidade plume model X plate model
CARACTERÍSTICAS DE UM HOT SPOT MODELO DE PLUMAS •
Segundo Farnetani e Hoffman (2011):
1. Cadeia vulcânica 2. Associação com LIP 3. Inchamento topográfico 4. Composição Geoquímica Específica
CARACTERÍSTICAS DE UM HOT SPOT MODELO DE PLACAS •
Segundo Anderson (2005):
1. Stress e a fábrica da placa, e não a temperatura, que controlam o magmatismo 2. Convecção em pequena escala (na astenosfera) 3. O volume deste magmatismo é controlado pela fertilidade do manto (conteúdo de voláteis, composição e pelo solidus) 4. Variação de temperaturas com baixa amplitude e vasta extensão
MODELO DE PLACAS vs MODELO DE PLUMAS
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Poucos hot spots estudados apresentam caracteríscas de serem formados primáriamente por plumas;
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Ascension, Açores, Canárias, Easter, Samoa e Taiti (Montelli et. al. 2006)
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Necessidade de modelo alternativo a este para explicar tais modelos
MODELO DE PLUMAS EVIDÊNCIAS PRÓ MODELO DE PLUMAS
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Existência de trilhas vulcânicas; Evidências sismológicas de zonas de baixas velocidades; Assinaturas Geoquímicas: OIB ≠ MORB; Zonas de LIP’s tem temperaturas e densidades mais elevadas
MODELO DE PLACAS EVIDÊNCIAS PRÓ MODELO DE PLACAS •
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Hot spots “frios”; Ausência de trilhas vulcânicas;
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Não são fixos;
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Não possuem anomalias sísmicas;
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Hot Spots continentais associados a zonas de cisalhamentos e/ou rifitiamentos;
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Hot spots ocorrem majoritariamente em litosfera oceânica;
TIPOS DE HOTSPOTS •
Classificação de Courtillot et. al. (2003) propôs uma classificação baseado em 5 critérios:
1. Presença de trilhas 2. Alto fluxo de flutuabilidade 3. Razões de 3He/4He altas 4. Associadas a LIP’s 5. Anomalias de Vs a 500 Km de profundidade
TIPOS DE HOTSPOTS •
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Aos hot spots que atendem esses requisitos (ou quase todos) chamaram Primários; Secundários são os que
estão associados a grandes swells e são fruto de fusão da cabeça de uma superpluma; Os Terciários são relacionados a processos de placas;
TIPOS DE HOTSPOTS •
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Modelo de Placas: Tudo que não tem origem de pluma! São maioria, “classificação aberta” Classificação de Favela e Anderson apontam no mínimo 4 tipos;
TIPOS DE HOTSPOTS •
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Riftes Abandonados Falhas transcorrentes com Magmatismo (leaky transformants faults); Rasgos e distensões gerados por mudanças de direção e ângulo de mergulho de zonas de subducção; Fertilidade do manto causado antigas subducções;
PETROLOGIA GENERALIDADES Os hotspots deixam os traços de sua existência na crosta na forma de cadeias lineares de vulcões. Suas idades crescem a medida que se distanciam do último vulcão ativo ou extinto. Demarcando a direção e a velocidade de deslocamento das placas litosféricas. Em alguns casos, os traços de hotspots levam a derrames de basaltos continentais de platô ou a platôs oceânicos (amplo domeamento crustal (Crough, 1979)), aos quais, ‘neste caso’, estão associados. Os basaltos continentais de platô (ou CFBs, continental flood basalts ) e os platôs oceânicos, são depósitos espessos de derrames basálticos. Definidos como grandes províncias ígneas ( LIPs, large igneous provinces ).
PETROLOGIA GENERALIDADES Como exemplo dos principais, pode-se citar: Paraná (Brasil e Paraguai); Etendeka e Karoo (sul da África); Decão (sul da Índia), e Siberia. Os platôs oceânicos cobrem ± 10% da crosta oceânica, a elevando ± 2 a 4 Km acima do assoalho adjacente, gerando localmente um espessamento de crosta, onde alguns atigem 20 a 40 Km de espessura (valor bem maior que os 8 Km que são aceitos como espessura média da crosta oceânica). Os maiores platôs oceânicos (em volume e extensão) são os de Kerguele, ao sul do Oceano Índico, próximo a Antártica (Terras Autrais e Antárticas Francesas). E Ontong Java, no oeste do Oceano Pacífico, próximo a Papua-Nova Guiné.
PETROLOGIA LOCALIZAÇÃO DAS PRINCIPAIS LIP S E HOTSPOTS
Distribuição de hotspots ( ) e LIPs fanerozóicas. Em vermelho: LIPs (ou parte dela) gerado por uma 'cabeça pluma‘ passageira. em azul: LIPs (ou parte dela) gerada por ‘cauda de pluma'
PETROLOGIA PETROLOGIA As partes inferiores dos edifícios vulcânicos ( Hotspots) são formadas, predominantemente, por basaltos toleíticos (relativamente ricos em Si e pobres em Na). Enquanto as partes superiores por basaltos alcalinos (Karl et al., 1988), que são enriquecidos em Na e K Comparados com os basaltos das dorsais mesoceânica ( MORBs), possuem maior concentrações de Fe, Ti, Ba, Zr e elementos terras raras (ETR) (Bonatti et al., 1977). A composição é compatível com a mistura de material do manto juvenil e da astenosfera depletada (Schilling et al., 1976).
PETROLOGIA PETROLOGIA
Os alinhamentos de ilhas são invariavelmente mais novos que a crosta.
Topografia do assoalho oceâncio de Smith and Sandwell (1997) na região do Oceano Pacífico,
PETROLOGIA PETROLOGIA Estudos geocronológicos demonstram que, na maioria dos casos, o vulcanismo associado a LIPs ocorreram em um curto intervalo de tempo geológico (de alguns milhões a menos de um milhão de anos). A taxa de produção de magmas, nestes casos, é bem maior que em ambientes relacionados a limites de placas. Pode-se explicar essas taxas altas e a associação espacial entre LIPs e traços de hotspots pela ascensão e fusão parcial de plumas. Que ao chegar à base da litosfera, a cabeça (topo) da pluma sofre fusão parcial por descompressão, produzindo um volumoso vulcanismo basáltico. Com o passar do tempo e deslocamento da placa, será agora a vez da cauda da pluma sofrer fusão parcial, mas gerando um volume bem menor de magma e um hotspot.
PETROLOGIA PETROLOGIA Os magmas dominantes, tanto nas LIPs, quanto em ilhas oceânicas, são basaltos toleíticos. Álcali-basaltos e rochas alcalinas (nefelinitos, fonolitos, etc) podem estar presentes em CFBs e em ilhas oceânicas e são atribuídos a uma menor % de fusão parcial, em combinação, ou não, com cristalização fracionada. Basaltos picríticos (basaltos ricos em MgO) presentes em alguns CFBs são interpretados como fusão parcial da porção central, e mais quente, da cabeça de plumas. Estimativas da diferença de temperatura de basaltos em LIPs e hotspots eceânicos e de basaltos erupcionados nas dorsais oceânicas variam de 150° a 400° C. Isto é consistente com a origem profunda assumida para plumas.
PETROLOGIA PETROLOGIA A formação de kimberlitos, carbonatitos e outras rochas exóticas relacionadas, são atribuídas, também, à fusão parcial de plumas mantélicas. Inclusões encontradas em alguns diamantes (majorita, magnesiovustita (ferropericlásio), ringwoodita (olivina fase γ)) indicam uma origem no manto inferior. A composição peculiar de magmas kimberlíticos e carbonatíticos (com teores elevados de MgO e de elementos incompatíveis, como K, elementos terras raras, Nb e Ti) parece ser adquirida pela assimilação de porções metassomatizadas da litosfera por magmas ultramáficos.
PETROLOGIA ELEMENTOS TRAÇO Com o crescimento e evolução da crosta continental, o manto foi progressivamente empobrecido em incompativeis (Litófilos - LILE ) no decorrer do tempo geológico. Magmas derivados da fusão parcial do manto superior (litosférico), como os extravasados nas MORB ( Mid-Ocean Ridge Basalt ), têm concentrações extremamente baixas desses elementos. Em contraste, os basaltos de ilhas oceânicas ( OIBs, ocean island basalts ou Hotspot) e de CFBs têm concentrações bem mais elevadas, particulamente dos elementos mais incompatíveis (Rb, Ba, Th, Nd, La). Isto indica derivação de uma fonte que foi menos afetada pela formação da crosta continental e que reteve uma maior proporção de seus elementos incompatíveis. Esta fonte, presume-se , deve ser mais profunda, consistente com a derivação de plumas a partir do manto inferior (composição mais próxima do manto primitivo).
PETROLOGIA ELEMENTOS TRAÇO
Diagrama de elementos traço (normalizados em relação ao manto primitivo) comparando composições médias de MORBs, de hotspots (OIBs) e de CFB
PETROLOGIA ELEMENTOS TRAÇO Comparados com OIBs, CFBs tendem a ter concentrações menores de incompatíveis, refletindo uma maior % de fusão parcial em cabeças de plumas que nas caudas. Variações composicionais mais acentuadas também são esperadas em CFBs, devido à maior espessura da litosfera continental, o que dificulta a ascensão dos magmas. Isto favorece a atuação de processos de cristalização fracionada e uma maior interação dos magmas com a litosfera, o que pode resultar em sua contaminação. Seja por assimilação de material crustal, Seja por mistura com magmas derivados de fusão parcial do manto litosférico e/ou crosta.
PETROLOGIA ISÓTOPOS Estudos isotópicos corroboram com a distinção entre OIBs e MORBs. Lavas de hotspots tendem a ser enriquecidas em Sr e Pb e empobrecidas em Nd. A razão 87 Sr/86Sr em MORBs é ± 0,702-0,703, enquanto em OIBs é 0,703-0,705. As variações isotópicas em diferentes hotspots requerem a existência de, pelo menos, três reservatórios com características distintas: 1 - HIMU (de high µ , µ é a razão 206Pb/204Pb.
238Pb/204Pb)
caracterizado por altas razões
2 - EM1 (de enriched mantle , tipo 1), com razões relativamente baixas de moderadas de 87 Sr/86Sr. 3 - EM2 (de enriched mantle , tipo 2), com razões elevadas.
206Pb/204Pb
206Pb/204Pb
moderadas e
e
87Sr/86Sr
PETROLOGIA ISÓTOPOS Componente HIMU - Uma possível explicação para o valor elevado da razão 238U/204Pb é sua proveniência de porções do manto que não foram afetadas pela extração de U para a crosta continental, isto é, manto primitivo. No entanto, a razão 87Sr/86Sr desse componente é semelhante à de basaltos em dorsais oceânicas, sugerindo, ao contrário, fonte similar à dos MORBs, isto é, manto empobrecido. Por isso, a explicação mais aceita é a presença de crosta oceânica subductada na região fonte dos hotspots dominados pelo componente HIMU. Nesta interpretação, a alta razão 238U/204Pb é atribuída à perda preferencial de Pb nos fluidos liberados durante a subducção da placa oceânica.
PETROLOGIA ISÓTOPOS Componente EM1 - Sua origem é atribuída à introdução na região fonte dos OIBs de sedimentos pelágicos subduzidos ou de porções da litosfera continental delaminadas durante eventos orogênicos. Componente EM2 - Sua elevada razão 87Sr/ 86Sr é interpretada como resultado da introdução de sedimentos continentais, via subducção, na região fonte dos OIBs. Muitos hotspots são, ainda, caracterizados isotopicamente por razões 3He/ 4He mais elevadas que em MORBs. Uma vez que 4He é produzido pelo decaimento radioativo de U e Th, razões 3He/ 4He elevadas podem ser interpretadas pela proveniência de plumas de uma fonte profunda, menos afetada pela perda de voláteis durante a evolução da terra (menos empobrecida).
PETROLOGIA ISÓTOPOS
Razões isotópicas de Sr e Nd em MORBs e de hotspots (OIB). Amostras dominadas pelos componentes HIMU, EM1 e EM2 são mostradas em vermelho, laranja e amarelo, respectivamente. PRIMA é a composição inferida para o manto primitivo. *Em diagramas ternários Sr-Nd-Pb as composições de ilhas individuais podem convergir para um ponto,
PETROLOGIA ISÓTOPOS Alguns OIBs têm composições próximas da composição de um destes componentes extremos, mas a maioria mostra uma dispersão de valores, sugerindo mistura de dois ou mais componentes e/ou com o manto fonte das MORBs. Geograficamente, as composições EM1 e EM2 estão concentradas em hotspots localizados ao sul do equador. Esta feição é frequentemente referida como anomalia DUPAL.
Segundo alguns autores, os dados sugerem que a diversidade isotópica observada em hotspots resulta da derivação de plumas de porções do manto afetadas pelo crescimento da crosta continental ( manto empobrecido), mas que foram variavelmente enriquecidas por subducção de componentes litosféricos (plumas frias). Tendo-se como base para esta proposta, a evidência geofísica (tomografia sísmica) que indica a descida de placas ( slabs) até a base do manto, reforçando a origem profunda de plumas (camada D”).
HOT SPOTS NO MUNDO
ESTUDO DE CASO HAWAII: O CASO CLÁSSICO DE PLUMA POSSIBILIDADES INICIAIS
ESTUDO DE CASO HAWAII: O CASO CLÁSSICO DE PLUMA
ESTUDO DE CASO ISLÂNDIA: PLUMA OU MODELO DE PLACA
ESTUDO DE CASO ISLÂNDIA: PLUMA OU MODELO DE PLACA
ESTUDO DE CASO ALINHAMENTO MACAU-QUEIMADAS
CONCLUSÃO •
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Hot spots são hoje um tema profícuo e que sucinta muitos debates acerca da sua origem, número tempo de vida; A tomografia sísmica, principal ferramenta no estudos destas feições, carece hoje de resolução; Favela e Anderson (1999) indagam, ainda sobre este tema: Por que hot spots ocorrem majoritariamente em litosfera oceânica? Por que hot spots continentais não são mais velhos que 200 Ma e ocorrem próximos de zonas de cisalhamento, eventos de rifiteamento e próximos da costa? Os autores apontam como única explicação o modelo de placas. Em contra partida evidências para existência de plumas estão apresentados neste trabalho. Assim permanece a dualidade. Resta como objetivo maior a classificação de cada caso com base nos
BIBLIOGRAFIA •
Anderson, D. L., 2005. Scoring hotspots: The plume and plate paradigms; Geological Society of America Special Paper 388.
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Bonatti, E. et al. (1977) Easter volcanic chain (southeas Pacific): a mantle hot line. J. geophys. Res. 82, 2457-78. Burke, K., and Torsvik, T.H., 2004. Derivation of large igneous provinces of the past 200 million years from long-term heterogeneities in the deep mantle, Earth Planet Sci. Lett., 227: 531-538. in: , C. G.; Hoffman, A. W.: Mantle Plumes ENCYCLOPEDIA OF SOLID EARTH GEOPHYSICS, SPRINGER, DOI:10.1007/978-90-481-8702-7, 2011
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Courtillot, V., Davaille, A., Besse, J., and Stock, J., 2003, Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle: Earth and Planetary Science Letters, v. 205, p. 295–308, www.mantleplumes.org/webdocuments/courtillot2003.pdf (Abril, 2014).
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Crough, S.T. (1979) Hotspot epeirogeny. Tectonophysics 61, 321-33. Farnetani, C. G.; Hoffman, A. W.: Mantle Plumes ENCYCLOPEDIA OF SOLID EARTH GEOPHYSICS, SPRINGER, DOI:10.1007/978-90-481-8702-7, 2011
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Favela, J., and Anderson, D.L., 1999, Extensional tectonics and global volcanism; http://www.gps.caltech.edu/~dla/erice.pdf (Abril 2014).
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Foulger, G.R., 2003, Plumes, or plate tectonic processes?; http://www.mantleplumes.org/Penrose/PenPDFAbstracts/Foulger_Gillian_abs.pdf
