Emilio Padrino¹; Mariano Arnaiz-Rodríguez¹; Alexsay Rodríguez¹; Harnorld Alberti¹

¹ Departamento de Geofísica, Escuela de Geología Minas y Geofísica de la Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, marianoarnaiz@gmail.com

Forma de citar: Padrino, E., Arnaiz-Rodríguez, M., Rodríguez, A., y Alberti H. 2015. Respuesta gravimétrica regional de la pluma mantelar hawaiiana. Boletín de Geología, 37 (2): 17-23.

Palabras Claves: gravimetría, campo gravimétrico regional, punto caliente, pluma mantelar, Hawaii

REGIONAL GRAVIMETRIC RESPONSE OF THE HAWAIIAN MANTLE PLUME

ABSTRACT

An interpretation of the regional gravimetric field of the Northern Pacific Ocean is presented, with particular emphasis on the region adjacent to the Hawaii-Emperor islands. The goal is to verify the location of the mantle plume that inhabits the mantle under the area. The data used in this research were extracted from the database of the SCRIPPS INSTITUTION OF OCEANOGRAPHY, UC SAN DIEGO. The Total Bouguer Anomaly was computed and Upward Continuation filter was applied to different heights to observe the regional behavior of the anomaly. The regional maps show that the mantle plume sits at the southwest of the Hawaii Big Island, in contradiction to the general believe that it is located underneath it. The Necker crest, the Pacific Ocean Mountains and the Clarion, Molokai and Murray Fracture Zones present interesting gravimetric response and are not properly characterized in previous studies.

Keywords: Gravimetry, regional gravimetric field, hot spot, mantle plume, Hawaii

Un punto caliente es una región anómala de gran actividad volcánica y deformación estructural en la litósfera (particularmente la corteza) que no puede ser asociada directamente con los procesos de la tectónica de placas (Turcotte and Schubert, 2001). Morgan (1971) atribuyó la existencia de estas zonas volcánicas a un grupo de estructuras cuasi-cilíndricas de material caliente y flotante que se eleva desde la base del manto hasta la base de la litósfera a las cuales denominó plumas mantelares. En tal sentido, una pluma mantelar representa una anomalía termal asociada a nucleación de rocas calientes en el límite núcleo-manto que se eleva a través del manto de la Tierra y que eventualmente se transforma en una diapiro al tocar la corteza (Turcotte and Schubert, 2001). La cadena de islas volcánicas y de montes submarinos de Hawaii- Emperador que se extiende por el norte de la placa del Pacífico, representa el arquetipo de la interacción de una pluma mantelar con la litósfera oceánica. Dentro de este sistema, el conjunto de montes submarinos constituyen el hotspot track, un conjunto de edificios submarinos ubicados sobre una línea recta que son evidencia de la actividad de la pluma mantelar sobre la litósfera mientras la segunda deriva sobre la primera. Las islas recientes, cómo Isla Grande (FIGURA 1), representan la afectación actual de la pluma sobre la litósfera (Turcotte and Schubert, 2001).

En tal sentido nos proponemos estudiar la respuesta regional de las anomalías gravimétricas en el centronorte del Océano Pacífico, en las inmediaciones de la cadena islas volcánicas y de montes submarinos Hawaii-Emperador, localizadas entre las coordenadas 10º a 30º de latitud norte y 180º a 210º de longitud (FIGURA 1). Nuestro principal objetivo es caracterizar la respuesta gravimétrica de la pluma mantelar localizada en esta zona, cuya posición relativa con respecto a la cadena de islas ha sido ampliamente debatida en trabajos sismológicos (e.g. Masters et al., 2000; Lei and Zhao, 2006).

Los datos gravimétricos utilizados fueron extraídos de la compilación publicada periódicamente por el Scripps Institution of Oceanography de la Universidad de California, San Diego (UC San Diego, EEUU; Sandwell and Smith, 2009). Se trata de un mallado de estaciones gravimétricas con espaciamiento de un minuto de arco y limitado entre las latitudes 80,738N y 80,738S. Para cada una de estas estaciones, se proporcionan las coordenadas en grados, con una resolución de 0,0167 (referenciadas al geoide WGS84), y el dato de gravedad en forma de anomalía de aire libre, con una precisión de 0,1mGal (1x10^-3cm·s^-2). El instituto provee además un mallado de topografía con una precisión de 1 min de arco, cuyas localizaciones coinciden con las estaciones gravimétricas. Un total de 2.661.778 puntos de mediciones se localizan dentro de la ventana de estudio seleccionada. Con estos se construyó el mapa de Anomalía de Aire Libre (FIGURA 2) para observar los cambios de gravedad debido a variaciones en la elevación presentes en el lugar, interpretar la localización de las masas más importantes que cargan la litósfera oceánica y así verificar las características de los datos.

Seguidamente, se calculó el valor de la corrección de Bouguer y la corrección topográfica bajo los lineamientos propuestos para este tipo de datos por Arnaiz-Rodríguez y Garzón (2012). De tal manera se consideró como nivel de referencia el nivel medio del mar (0 m.s.n.m.) y se emplearon como densidades de reducción: 2.670 kg·m^-3 para la corteza continental y 1.030 kg·m^-3 para el agua del mar (FIGURA 3). La corrección topográfica fue calculada haciendo uso de los algoritmos incorporados en el programa Oasis Montaj v.7.1 (Geosoft Inc., 2007). Estos algoritmos se basan en las soluciones expuestas por Hammer (1939), Bible (1962), Kane (1962), Nagy (1966) y LaFehr (1991). Es necesario destacar que debido al carácter regional del estudio, los llamados "nuevos estándares de gravimetría" (Hinze et al., 2005) fueron descartados por no generar aportes significativos a las anomalías de Bouguer en la escala utilizada (e.g. Argast et al., 2009; Arnaiz-Rodríguez y Garzón, 2012).

Para estimar la profundidad máxima a la que se pueden hacer interpretaciones, se estimaron las profundidades de las fuentes gravimétricas más representativas, utilizando un modelo de prismas rectangulares (FIGURA 4; Spector and Grand, 1970). Con el fin de aislar progresivamente la respuesta regional y de esa manera identificar apropiadamente la anomalía gravimétrica que debe producir la pluma mantelar, se utilizó el método de la continuación del campo gravimétrico hacia arriba para generar una series de mapas regionales del área de estudio. Esta técnica permite proyectar un campo potencial (ya sea gravimétrico o magnético) a un nivel más alto de observación, filtrando de forma eficiente los datos para obtener información regional (Jacobsen, 1987). En tal sentido se proyectó el campo gravimétrico a 440, 550, 670, 780, 890 y 1.000 km de altura (FIGURA 5).

Finalmente, proceso de mallado y las imágenes de los datos (mapas de anomalías) fueron generados utilizando el software GMT (Generic Mapping Tool; Wessel and Smith, 1991). El algoritmo seleccionado para la interpolación de los datos de Anomalías de Aire Libre (FIGURA 2) y Anomalías de Bouguer (FIGURA 3) fue el de mínima curvatura, el cual es ampliamente usado en las ciencias de La Tierra, pues genera la superficie más suave.

El mapa de Anomalías de Aire libre (FIGURA 2) permite constatar que alrededor de la cadena de islas yace un conjunto de cuencas flexurales (de ante-país), con una familia continua de nodos de flexión asociados a esta. La presencia de estas estructuras es evidencia de la importante carga que representa la cadena de islas sobre una litósfera termalmente afectaba como la de la Placa del Pacífico (e.g. Watts and ten Brink, 1989). Adicionalmente el mapa revela que existe una complejidad estructural significativa en la Cresta de Necker, en las montañas del Pacífico Medio y en las montañas marinas de Katrin y Sculpi (FIGURA 1), en general poco consideradas en los estudios de esta zona.

El mapa de Anomalía de Bouguer (FIGURA 3), evidencia los importantes contrastes de densidades existentes en la zona. Los valores de Anomalía de Bouguer oscilan desde 230 mGal hasta 390 mGal aproximadamente (valores típicos para corteza oceánica normal), donde los valores máximos están claramente relacionados a la corteza oceánica delgada de la placa pacífica, mientras que los valores mínimos se relacionan particularmente con la raíz generada por la flexión de la placa pacífica bajo la carga de las islas hawaianas. En éste mapa, se evidencia la continuidad de las islas hawaianas en el subsuelo, que la evidencia como una estructura que ha sido cubierta por sedimentos, más que un conjunto independiente de islas como son usualmente representados los hotspot tracks. Conjuntamente, se observa que la distribución de las anomalías negativas bajo las islas y a su alrededor respaldan la existencia de un sistema de compensación regional de la litósfera donde, posiblemente, existen dos puntos donde la raíz isostática (flexural) se profundiza más que en el resto de la cadena bajo la isla de Lanai (-156.5º de longitud y 21º de latitud) y en un punto intermedio dentro del hotspot track (-168º de longitud y 25º de latitud). El primero de ellos se encuentra estrechamente relacionado, de acuerdo a Nataf (2000), con el punto caliente que genera la actividad volcánica de la cadena de islas.

En el mapa de Anomalías de Bouguer también se observa la respuesta gravimétrica de las zonas de fallas que se encuentran alrededor de la cadena de las islas hawaianas, las cuales fueron descritas como fallas transcurrentes por Rubin et al. (1999), entre 25º y -30º de latitud norte, y -200º y -210º de longitud; 15º-25º de latitud norte y 185º-195º grados de longitud oeste. La cresta de Necker y las islas del Pacífico Medio presentan el mínimo gravimétrico más importante, relacionado a su comportamiento isostático. La relación Anomalía de Aire Libre positiva y la localizada Anomalía de Bouguer negativa revelan un sistema compensado en su totalidad por isostasia local. Como la corteza en la zona es al menos 2,5 veces más gruesa que la del resto del Pacífico, se puede suponer que el sistema de compensación es tipo Airy, respaldando así los resultados obtenidos por Kellogg and Ogujiofor (1985).

El análisis en frecuencia de los datos gravimétricos nos permite estimar la máxima profundidad de observación de la información disponible. El gráfico del espectro de potencia radialmente ponderado (FIGURA 4) nos provee la información que nuestro límite de observación es de unos 200 km de profundidad. En consecuencia nuestros datos responden a la distribución de densidades dentro de la litósfera y de la astenósfera.

Como se ha expresado con anterioridad, para el estudio del comportamiento regional de la zona se construyeron seis mapas de continuación analítica del campo hacia arriba a 440, 550, 670, 780, 890 y 1.000 km de altura. La FIGURA 5 muestra, para una mejor visualización, los mapas de continuación analítica hacia arriba en un mosaico de mapas donde se puede observar la presencia de una anomalía negativa de larga longitud de onda que se relaciona a la respuesta combinada de la isostasia de las islas hawaianas, de las cadenas montañosas, y de la pluma mantelar. A medida que se aumenta la altura, la respuesta gravimétricaisostática de las cargas corticales se ve atenuada poco a poco. Finalmente, a 890 y a 1.000 km, la respuesta de las estructuras no mantelares se ve completamente filtrada, dejando así la respuesta gravimétrica asociada a la presencia de la pluma mantelar que alimenta al punto caliente de las islas hawaianas.

Se puede observar entonces que los datos gravimétricos parecen indicar que la "chimenea" de la pluma mantelar se encuentra desplazada ligeramente hacia el suroeste con respecto a la posición actual de Isla Grande, la cual es considerada usualmente como la ubicación inequívoca de ésta. Estos resultados se encuentran respaldados por datos tomográficos de ondas corpóreas entre 200 y 900 km de profundidad (FIGURA 6), en donde se muestra una anomalía de bajas velocidades al oeste de las islas hawaianas asociadas a la posición de la pluma mantelar (Masters et al. 2000; Ritsema et al., 2004; Lei and Zhao, 2006).

Luego del estudio gravimétrico de la cadena de islas hawaianas, se puede concluir:

Existe un gran número de fallas transformantes en el área de estudio, las cuales poseen claras respuestas gravimétricas. Se observa que la cadena de islas hawaianas se encuentra fallada en la zona central.

La compensación isostática de las islas hawaianas es de tipo regional generando un sistema de cuencas flexurales alrededor de éstas.

La compensación isostática de la cresta de Necker y las montañas del Pacífico Medio es local y de tipo Airy.

La pluma mantelar que genera la actividad volcánica de las islas hawaianas, se encuentra en la zona oeste de éstas (180º-195º de longitud y 15º-25º de latitud norte), contrariamente a lo descrito en investigaciones realizadas anteriormente en el área, donde se ubica la pluma mantelar justo debajo del punto caliente de la parte más al sur de Isla Grande. Otros resultados sismológicos apoyan nuestras conclusiones.

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