David Pratt
New Concepts in Global Tectonics Journal (www.ncgt.org), vol. 1, n° 1, marzo 2013, p. 66-152.
Palabras clave: paleomagnetismo, reconstrucciones en tectónica de placas, migración polar, edad del fondo marino, raíces continentales, paleoclima, paleobiogeografía, tectónica de tensiones, tectónica de torcimiento.
Contenidos:
01. Geomagnetismo y paleomagnetismo
-Campo magnético de la Tierra
-Suposiciones paleomagnéticas
-Fiabilidad y dispersión de paleopolos
01. Geomagnetismo y paleomagnetismo
Campo magnético de la Tierra
Los polos magnéticos Norte y Sur de la Tierra -los lugares en la superficie planetaria donde la aguja de una brújula apunta directamente hacia abajo o arriba- se encuentran hoy en 85,9º N, 147,0º O y 64,4º S, 137,1º E respectivamente, y por tanto no son antipodales. Cerca del 90% del campo magnético de la Tierra -el "principal"- corresponde al entorno que sería producido por un imán dipolo hipotético ubicado en el centro del planeta, pero con su eje desplazado del eje de rotación terrestre en aproximadamente 10°. Las dos ubicaciones donde el eje dipolar se intersecta con la superficie terrestre se conocen como polos geomagnéticos Norte y Sur. El campo dipolar se mueve actualmente hacia el oeste alrededor de los polos geográficos a una velocidad aproximada de 0,08° por año, mientras que el campo no dipolo se traslada a una velocidad promedio más rápida de 0,18° al año (McElhinny y McFadden, 2000). La figura 1.1 muestra la ubicación de los polos magnéticos y geomagnéticos norte y sur y su movimiento secular desde 1900, y la ilustración 1.2 señala las posiciones del polo geomagnético norte en los últimos 2000 años.
Campo magnético de la Tierra
Los polos magnéticos Norte y Sur de la Tierra -los lugares en la superficie planetaria donde la aguja de una brújula apunta directamente hacia abajo o arriba- se encuentran hoy en 85,9º N, 147,0º O y 64,4º S, 137,1º E respectivamente, y por tanto no son antipodales. Cerca del 90% del campo magnético de la Tierra -el "principal"- corresponde al entorno que sería producido por un imán dipolo hipotético ubicado en el centro del planeta, pero con su eje desplazado del eje de rotación terrestre en aproximadamente 10°. Las dos ubicaciones donde el eje dipolar se intersecta con la superficie terrestre se conocen como polos geomagnéticos Norte y Sur. El campo dipolar se mueve actualmente hacia el oeste alrededor de los polos geográficos a una velocidad aproximada de 0,08° por año, mientras que el campo no dipolo se traslada a una velocidad promedio más rápida de 0,18° al año (McElhinny y McFadden, 2000). La figura 1.1 muestra la ubicación de los polos magnéticos y geomagnéticos norte y sur y su movimiento secular desde 1900, y la ilustración 1.2 señala las posiciones del polo geomagnético norte en los últimos 2000 años.
El campo geomagnético se define en cada punto de la superficie planetaria por su fuerza y dirección. Los dos términos necesarios para describir su dirección son el de declinación magnética o ángulo entre el norte magnético (la dirección en que la aguja de la brújula apunta el extremo que busca el norte) y el norte verdadero, e inclinación magnética o ángulo entre la aguja y el plano horizontal en cualquier ubicación particular.
La Tierra está lejos de ser una esfera magnetizada en modo uniforme, lo cual significa que la aguja de una brújula rara vez apunta en la dirección del polo magnético más cercano. Por ejemplo, para viajar directamente al Polo Norte magnético, una persona que salga de Moscú deberá dirigirse 0,5° al este del norte, mientras que la brújula señala 10,4° al este del norte (www.ngdc.noaa.gov; www.movable-type.co.uk). Una brújula eventualmente llevará al viajero al Polo Norte magnético, pero no por la ruta más directa. Del mismo modo, la inclinación magnética rara vez corresponde con exactitud a la latitud magnética. Las figuras 1.3 y 1.4 muestran las variaciones globales de hoy en declinación e inclinación. El presente campo geomagnético se desvía considerablemente del de un dipolo axial geocéntrico perfecto (GAD).
Según Tauxe (2013), nuestra capacidad para describir el campo geomagnético "supera con creces nuestra comprensión sobre su origen". La opinión predominante es que el campo se genera principalmente por movimientos de fluidos conductores en el núcleo externo y líquido de la Tierra, que crean una dínamo magnetohidrodinámica autosostenible. Otras fuentes del campo magnético general incluyen las corrientes eléctricas que fluyen en la atmósfera superior ionizada, las corrientes que circulan en la corteza terrestre y rocas corticales magnetizadas. La teoría oficial implica que la intensidad promedio del campo geomagnético debería aumentar casi el doble con la latitud, pero los datos disponibles sugieren que se debilita por encima de los 65° (fig. 1.5).
Suposiciones paleomagnéticas
El estudio sobre el magnetismo fósil de los minerales que contienen hierro en rocas y sedimentos antiguos permite la determinación de un polo magnético virtual relacionado con la localidad de la muestra en cuestión. Los promedios de varios polos magnéticos virtuales suficientes para promediar la variación secular se conocen como polos paleomagnéticos, que se supone corresponden a polos geográficos (de rotación) pasados. Cuando los polos paleomagnéticos se trazan en un mapa para un continente en particular, tienden a "alejarse" del eje de rotación con el aumento de la edad en el fragmento rocoso muestreado. Si los datos paleomagnéticos son confiables y los supuestos subyacentes son sólidos, esto podría significar que el continente en cuestión se está desplazando mientras el polo permanece fijo, o que el polo magnético/geográfico se mueve al tiempo que el continente sigue fijo, o una combinación de ambos.
Debido a que distintos continentes producen diversos caminos de migración polar (por ejemplo, los polos determinados a partir de rocas paleozoicas y mesozoicas de Europa se desplazan sistemáticamente hacia el este de los polos estipulados por rocas correspondientes de Norteamérica), la mayoría de paleomagnetistas en la década de 1950 concluyó que principalmente fueron los continentes que se desplazaron sobre la superficie del planeta, en lugar de los polos magnéticos o geográficos. El consenso actual es que también ha habido una cierta cantidad de migración polar verdadera, es decir, un movimiento del eje de rotación con respecto a toda la Tierra (o al menos su capa exterior). Los polos paleomagnéticos se usan para especificar la paleolatitud, pero la paleolongitud no se puede limitar sólo a los paleopolos.
La teoría de Alfred Wegener (1912, 1929) era que los continentes (basados en sial, es decir, sílice y aluminio) se labraron lentamente a través de la corteza oceánica más densa (compuesta de sima, o sílice y magnesio), mientras que la tectónica de placas moderna postula que se genera una nueva litosfera en "dorsales de expansión" y consumidas en "zonas de subducción", y que las placas litosféricas en movimiento llevan los continentes con ellas. Las rutas de migración polar aparente (APWP en inglés) tienden a consistir en tramos largos y suavemente curvados unidos por esquinas afiladas o "cúspides". Se supone que los tramos curvos corresponden a períodos de movimiento constante de placa, mientras se cree que las cúspides conciernen a cambios repentinos en el movimiento de placa ("reorganización"). El movimiento relativo entre dos placas se describe por la rotación en torno a un polo de rotación Euler, y se dice que diferentes tramos representan rotaciones de placas sobre diferentes polos.
Por consiguiente, la interpretación convencional de datos paleomagnéticos se basa en dos supuestos básicos: a) cuando se forman rocas, se magnetizan en la dirección del campo geomagnético existente en el momento y lugar de su génesis, y la magnetización adquirida se retiene en las rocas al menos parcialmente durante el tiempo geológico; y b) el campo geomagnético promediado para cualquier período del orden de 105 años (excepto las épocas de inversión magnética) es un campo dipolar orientado a lo largo del eje de rotación planetaria. Ambos supuestos son cuestionables y el paleomagnetismo está plagado de incertidumbres. Merrill et al. (1996, p. 69) declaran:
"Cuando se forma una roca, generalmente adquiere una magnetización paralela al campo magnético ambiental (por lo común se presume que es el campo magnético de la Tierra) y eso se conoce como magnetización primaria. Ésta última proporciona datos sobre la dirección e intensidad del campo magnético en que se produjo la roca. Sin embargo, existen numerosas trampas que esperan a los incautos: primero, al organizar la magnetización primaria de las magnetizaciones secundarias (adquiridas luego de la formación), y segundo, al extrapolar las propiedades de la magnetización primaria a las del campo magnético terrestre".
Hoy la remagnetización se acepta como fenómeno generalizado, particularmente en rocas sedimentarias, y el problema aumenta con la edad de las rocas. Otro factor de complicación es que no siempre es seguro si el campo geomagnético en un momento del pasado era de polaridad normal o invertida (es decir, qué dirección era norte y cuál sur); esto es particularmente problemático para las rocas que se remontan a inicios de las eras Paleozoica y Precámbrica. El magnetismo rocoso también está sujeto a modificaciones por meteorización, efectos térmicos, metamorfismo, cambios químicos y deformación tectónica. La poca profundidad en inclinaciones (resultante de compactación sedimentaria), las rotaciones de bloque horizontales y verticales y otros movimientos de la corteza se han identificado como posibles fuentes de error (Butler, 2004). Lo mismo ocurre con la magnetostricción, esto es, el cambio en el sentido de la magnetización por tensión dirigida (Graham et al., 1957; Jeffreys, 1976).
Los paleomagnetistas argumentan que, si bien en cualquier momento determinado el campo geomagnético se desvía significativamente de un dipolo axial geocéntrico (GAD), la variación secular a largo plazo del campo (por ejemplo, deriva hacia el oeste) significa que el campo promediado en el tiempo se aproximará mucho a un GAD, y esta suposición es fundamental para el paleomagnetismo. La opinión general es que los análisis han demostrado que el campo promediado en el tiempo para los últimos 5 m.a. es aproximadamente un GAD, con un cuadrupolo axial geocéntrico y subsidiario que representa aproximadamente del 2 al 6% del campo total, y un octupolo zonal persistente que representa hasta 5% del campo total (Besse y Courtillot, 2002; Domeier et al., 2012). Se cree que estos campos no dipolos han sido mayormente zonales (es decir, simétricos respecto al eje de rotación) y se estima que causan errores de paleolatitud de unos 5° (Van der Voo, 1998).
Existe una tendencia persistente a que los polos paleomagnéticos, cuando se ven desde sus sitios de muestreo, se ubiquen en el lado derecho del dipolo; Gordon (1987) sugirió que esto podría deberse a la migración polar combinada con un sesgo de muestreo. También existe una propensión a que las inclinaciones superficiales estén representadas de modo excesivo en distribuciones de frecuencia sobre inclinaciones paleomagnéticas (Andrews, 1985; Kent y Smethurst, 1998). Kent y Smethurst argumentaron que el aplanamiento de inclinación en rocas sedimentarias no era la causa principal y que los campos paleomagnéticos precámbricos y paleozoicos pueden haber incluido fuertes componentes zonales de cuadrupolo y octupolo (estimados en 10% y 25% respectivamente) que disminuyeron con el tiempo. En su opinión las paleolatitudes podrían subestimarse hasta en aproximadamente 15° en latitudes medias. Van der Voo (1998) afirmó que una paleolatitud calculada con el modelo GAD podría diferir en hasta 18° de la paleolatitud real, y que la diferencia relativa de paleolatitud entre dos sitios paleomagnéticos coeficientes podría estar en un error por sobre los 30°.
Tauxe (2013, 16.8) señala: "No hay evidencia convincente de que el campo haya operado de manera muy diferente en la antigüedad, aparte del cambio desconcertante en la frecuencia de inversión". Por ejemplo, durante el período de 125 a 84 m.a. (supercrón cretácico) el campo era predominantemente de una sóla polaridad durante 40 m.a., mientras que la frecuencia de inversión promedio en los últimos 5 m.a. es 4,0/m.a. (Biggin et al., 2008).
Como se mencionó, el eje magnético de la Tierra actualmente está inclinado unos 10° con respecto al eje de rotación. El campo magnético de Júpiter se bascula en la misma cantidad y en algunos de los planetas exteriores se encuentran compensaciones mucho mayores: 47° en el caso de Neptuno y 60° para Urano (Russell y Dougherty, 2010). Es posible que los polos magnéticos de la Tierra también se hayan desplazado considerablemente con respecto a los polos geográficos en tiempos anteriores. Además, Beloussov (1990) argumentó que si en períodos geológicos pasados hubo anomalías magnéticas estables de la misma intensificación que la irregularidad actual en el este de Asia (o un poco más intensas), esto también invalidaría la hipótesis GAD (véase figura 1.7).
Para probar si el supuesto dipolo geocéntrico estaba alineado con el eje de rotación de la Tierra en el pasado, se requieren determinaciones independientes de paleolatitud y los indicadores paleoclimáticos se consideran los mejores disponibles (Butler, 2004). Más adelante veremos que varios indicios paleoclimáticos importantes, junto con datos paleontológicos, son totalmente compatibles con un modelo de la Tierra que excluye el desplazamiento a gran escala de continentes y polos.
Fiabilidad y dispersión de paleopolos
Hay publicados más de 10.000 polos paleomagnéticos desde 1925, y se puede acceder libremente a la Base Global de Datos Paleomagnéticos de IAGA en el sitio electrónico del Servicio Geológico Noruego (www.ngu.no/geodynamics/gpmdb). Se dice que la literatura paleomagnética está repleta de inconsistencias (Storetvedt, 1997, p. 79) y Tauxe afirma (2013, 16.2): "Seleccionar los polos significativos de datos publicados es un componente en el arte del paleomagnetismo", y al igual que otras formas artísticas parece implicar también un alto grado de subjetividad.
Basado en un estudio de determinaciones polares clasificado como "confiable", Rezanov (1968, p. 772) declaró: "Cuanto mayor es el número de mediciones paleomagnéticas para cualquier región, más amplia se vuelve la dispersión de los polos paleomagnéticos según lo determinado a partir de rocas de alguna época particular en el mismo continente, incluso en igual distrito". Encontró que la dispersión polar mínima de cualquier período geológico era de 5.000 a 6.000 kms., y que para las etapas geológicas más antiguas que el Carbonífero la dispersión fue de 10.000 kms. Los datos paleomagnéticos a veces implican que masas de tierra considerables estaban en igual lugar al mismo tiempo (por ejemplo, Azerbaiyán y Japón a mediados del Cretácico), y llegó a la conclusión de que "los datos paleomagnéticos aún son tan poco confiables y contradictorios que no pueden utilizarse como evidencia a favor o en contra de la hipótesis sobre la deriva condicional de continentes o sus partes" (p. 775).
Rezanov señaló que las discrepancias de 6.000-9.000 kms. entre los polos paleomagnéticos ordovícicos de la plataforma siberiana se habían atribuido a la remagnetización y pregunta: "Si se piensa que la divergencia de 90º se debe a un error en el caso de Siberia, ¿por qué entonces en la instancia de Australia la misma disimilitud debe tomarse como prueba de la reubicación colosal del continente al comienzo del Carbonífero y de nuevo en el Cenozoico?" (p. 773). N.A. Khramov atribuyó las diferencias entre los polos ordovícicos de Europa y Siberia a la deriva condicional de la plataforma siberiana o sus partes con respecto a la plataforma rusa y los Urales. Rezanov añadió que, para ser coherentes, la rotación y deriva de sectores de Siberia también deberían postularse para el tiempo pos-Pérmico, pero la mayor parte de Siberia ya se había consolidado hacia el Pérmico, y creer lo contrario ''significa cerrar deliberadamente los ojos a la realidad", instando a que se investiguen las causas en inconsistencias paleomagnéticas antes de obtener conclusiones sobre los enormes desplazamientos horizontales y las rotaciones de continentes y sus partes.
Al igual que Rezanov, Meyerhoff (1970a) destacó el hecho de que si las posiciones individuales del polo paleomagnético se grafican para una edad en particular, en lugar de una posición polar promedio la dispersión es típicamente tan grande -incluso de localidades individuales y provincias geológicas- que los círculos de error son más amplios que el Océano Atlántico, incluso para el Pleistoceno y el Holoceno. En consecuencia, los datos paleomagnéticos no se pueden usar para probar la deriva continental o migración polar. Northrop y Meyerhoff (1963) señalaron que si se determinan diferentes APWP para diferentes regiones -en vez de producir un camino de migración polar aparente promediando todos los paleopolos de un continente en particular durante períodos específicos-, las curvas resultantes sólo pueden hacerse coincidir al mover y rotar diferentes partes de provincias geológicamente contiguas, y los giros requeridos son muy complejos y erráticos para forzar la credulidad.
Barron et al. (1978) sostuvieron que el paleomagnetismo es una "herramienta relativamente inexacta" y "no puede usarse para hacer reconstrucciones precisas". Escribieron: "El error de la determinación polar paleomagnética, especialmente para los resultados de formación individual, podría significar un desplazamiento de hasta 1.000-1.600 kms., sin siquiera tener en cuenta la indeterminación longitudinal" (p. 437). Los errores de hasta 16° son comunes en posiciones paleomagnéticas individuales del mismo continente durante igual período de tiempo geológico. Los autores también dicen que las posiciones polares para las partes este y oeste de Islandia difieren en 14,3°, y que la interpretación estricta de estos datos requeriría "una cantidad irrazonable de rotación" agregando que no hay motivo para creer que estos resultados sean de alguna manera atípicos a los resultados paleomagnéticos en general.
Fig. 1.9. Posiciones paleomagnéticas polares trazadas para el Proterozoico a través del Triásico desde una sóla localidad en un escudo, y éste no representa un caso aislado o "excepción" (Meyerhoff y Harding, 1971, fig. 3).
Tarling (1982a) afirmó que es demasiado fácil ser escéptico sobre la base de datos paleomagnética pues las incertidumbres son inmensas y requieren una evaluación subjetiva: "Desafortunadamente esto puede conducir al síndrome en que se examinan los datos dispersos, y los puntos extraños que están cerca de las observaciones anteriores se aceptan para su publicación; a lo sumo el resto aparece en el apéndice inaccesible de una tesis".
Van der Voo (1990) propuso siete criterios para determinar la fiabilidad de datos paleomagnéticos. El puntaje más alto (Q=7) se otorga si un paleopolo cumple con los siguientes estándares: 1) edad de roca bien determinada, 2) número suficiente de muestras, 3) desmagnetización de laboratorio adecuada, 4) la edad de magnetización está limitada por pruebas de campo, 5) control estructural y coherencia tectónica con el cratón o bloque involucrado, 6) presencia de reversiones, y 7) los paleopolos no deben recaer en una parte más reciente de la ruta de migración polar. Van der Voo señaló que muchos de estos criterios con frecuencia no se cumplen y muy pocos polos satisfacen dichos parámetros; la mayoría de los autores usan polos con Q>2; se sabe que algunas resultantes de Q=4 se basan en remagnetizaciones e incluso la puntuación máxima no garantiza en absoluto que un resultado sea una mejor indicación del campo geomagnético que los polos con puntuaciones más bajas. También afirmó que sería inapropiado simplemente rechazar datos de acuerdo con la fecha de publicación: "Algunos resultados aparecidos en la década de 1960 todavía son muy válidos hoy y otros de la década más reciente ya demostraron ser inexactos, por ejemplo, en su determinación de edad, corrección estructural o determinación de direcciones características" (p. 1).
Un principio básico de la investigación paleomagnética es que "para ser considerados indicadores confiables del campo antiguo, las magnetizaciones de rocas de edad indistinguible deberían producir direcciones bien agrupadas" (Cottrell y Tarduno, 2000). Inevitablemente existe una tendencia a etiquetar datos inconsistentes -o que no se ajustan a preconceptos teóricos- como de baja calidad o resultado de remagnetizaciones, superficialidad de inclinación, rotaciones/deformaciones tectónicas, componentes de campo geomagnético no dipolar, etc. Pueden aplicarse cualquiera de estos problemas o todos ellos, pero con tantos grados de libertad hay un gran margen para discriminaciones y subjetividad.