Técnicas de tomografía similares a las que se utilizan para examinar el interior del cuerpo humano han revelado una inesperada fragmentación de las capas situadas hasta 600 kilómetros (km) por debajo de la superficie terrestre. Las imágenes han llevado a redefinir límites, sacaron a la luz estructuras profundas sobre las que solamente había indicios y reforzaron la idea de que los mapeos superficiales no bastan para delinear el esquema rocoso de Sudamérica.
Las imágenes a distintas profundidades se elaboran a partir del análisis de diversos tipos de ondas generadas por los temblores de tierra, también llamados sismos. Inicialmente captadas por aparatos denominados sismógrafos, atraviesan el interior de la Tierra a velocidades que varían en función de la densidad de las rocas: la velocidad es mayor en donde la litósfera ‒la capa sólida exterior de la Tierra‒ es más gruesa y fría y menor en donde es más delgada y caliente. Es una forma de visualizar los límites de los llamados cratones, bloques rocosos con centenas a miles de kilómetros de extensión, en ocasiones cubiertos por rocas sedimentarias o suelo. Por lo general, se formaron hace entre 1.000 y 2.000 millones de años, cuando la Tierra aún era una masa caliente, y constituyen el armazón de la estructura geológica de los continentes, alrededor de los cuales se agrupan otras estructuras rocosas (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 188).
Serra do Cipó National ParkSerra do Espinhaço, una formación montañosa que se extiende a lo largo de unos 1.000 km por los estados de Minas Gerais y Bahía, marca el límite oriental del cratón de São FranciscoSerra do Cipó National Park
En uno de los estudios más recientes y vastos, descrito en un artículo científico publicado en noviembre en la revista Gondwana Research, la física Bruna Chagas de Melo, de Minas Gerais, y colegas del Instituto de Estudios Avanzados de Dublín, en Irlanda, demostraron que el cratón amazónico, hasta ahora considerado una estructura única con formato ovalado, con el río Amazonas discurriendo por su zona central, en realidad podría estar conformado por dos unidades, separadas lateralmente a unos 200 km por debajo de la superficie.
También de acuerdo con este trabajo, los límites de otro cratón, el de São Francisco, son más amplios y se ubican más al sudoeste de lo que indicaban anteriores relevamientos. Tres unidades antiguas de la estructura geológica continental, propuestas por el geólogo Umberto Cordani, del Instituto de Geociencias de la Universidad de São Paulo (IGc-USP) a principios de la década de 1980, ganaron contornos más nítidos: el cratón del Río de la Plata, que abarca partes del estado brasileño de Rio Grande do Sul, de Uruguay y de Argentina, y dos bloques cratónicos, llamados así por hallarse cubiertos por cuencas sedimentarias: Parnaíba, en el estado de Piauí, y Paraná (o Paranapanema), bajo la cuenca del río Paraná, en los estados de São Paulo y Mato Grosso do Sul.
Un mejor conocimiento ‒a profundidades mayores‒ de estas estructuras rocosas antiguas ayuda a detallar la evolución tanto geológica como biológica del continente, ya que la cordillera de los Andes, situada al oeste, a medida que iba formándose invirtió la pendiente de los ríos, moldeó la superficie y bloqueó la humedad procedente del Atlántico, favoreciendo el surgimiento de nuevas especies de plantas y animales, principalmente en la región amazónica (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 334). También ayuda a explicar el origen de las provincias minerales, incluyendo las áreas en donde es más probable encontrar diamantes, que se forman a una profundidad de al menos 150 km, y consolida la historia de los distintos tipos de relieve, como los asociados al vulcanismo, presente en aquellas regiones en donde la litósfera es más delgada.
Principalmente al este del estado de Amazonas y al sur del estado de Pará, hace casi 2.000 millones de años había decenas de volcanes y ríos de lava corriendo por la superficie (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones nº 81, 174 y 250). En épocas más recientes, el magma también fluyó en las regiones ocupadas por la isla de Marajó, en Pará, y Dourados, en Mato Grosso do Sul y, aunque inactivos, existen canales de magma bajo los archipiélagos de Fernando de Noronha, Trindade y Martin Vaz.
También hay vestigios explícitos de magmatismo, como el Pico do Cabugi, de 590 m de altura en Angicos, Rio Grande do Norte, que conserva la forma de un volcán, y otros más sutiles. El municipio de Poços de Caldas, en Minas Gerais, por ejemplo, se extiende al pie del cráter de un volcán por el que brotaba magma hace unos 60 millones de años.
“El ascenso del magma solamente fue posible porque en esta región, entre el cratón de São Francisco y el bloque de Paranapanema, la litósfera era y aún es más estrecha. Una litósfera más delgada significa que la astenósfera, la capa más caliente situada justo debajo de la litósfera, era menos profunda, lo cual permitía que las rocas se fundieran a una profundidad de entre 100 y 200 kilómetros”, comenta el físico Marcelo de Sousa Assumpção, del Instituto de Energía y Medio Ambiente (IEE) de la USP, coautor del artículo publicado en Gondwana Research. Estudioso de los movimientos de la corteza terrestre desde mediados de los años 1970 (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones nº 256), dirigió a Melo en su maestría y la apoyó en su doctorado en uno de los grandes centros internacionales de investigación geofísica, en Irlanda.
Melo arribó a Dublín en diciembre de 2018 con el propósito de aplicar el método que su director de doctorado, el geofísico ruso Sergei Lebedev, había desarrollado para analizar grandes cantidades de datos sísmicos, los registros de las ondas generadas por los terremotos. En pocos meses, pudo reunir información sobre alrededor de 970.000 ondas sísmicas −resultado de unos 300.000 temblores registrados por 9.259 estaciones sismológicas de todo el mundo, incluidas las de Brasil− recabada desde 1994, a profundidades de hasta 600 km.
“Es una cantidad de datos asombrosa, nunca he visto nada igual”, sostuvo asombrado el geólogo Reinhardt Adolfo Fuck, profesor emérito de la Universidad de Brasilia (UnB), quien estudia la evolución de la litósfera en Brasil desde hace 50 años (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 122). “Tuvieron mucho cuidado en realizar las correcciones necesarias y excluir lo que debía desecharse”.
Seis meses después, en un congreso celebrado en Viena (Austria), Melo presentó los primeros indicios de que el cratón amazónico en realidad estaría formado por dos, uno al norte y otro al sur del río Amazonas. “No he observado el bloque completo a ninguna profundidad”, comentó en noviembre, en una revisión de su trabajo.
Con una metodología de análisis de las ondas sísmicas diferente, con menos datos ‒112 temblores y 1.311 estaciones sismológicas‒ y una profundidad máxima también menor, de 500 km, el geofísico Caio Ciardelli ya había planteado la posibilidad de que las regiones más profundas de cada lado del cratón se hubieran estrechado debido a los desplazamientos en el interior de la Tierra, fracturándose, tal como lo describió en su doctorado, concluido en 2021 en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP, y en un artículo publicado en enero de 2022 en la revista Journal of Geophysical Research: Solid Earth. “El resultado de otras tomografías variaba, mostrando en ocasiones continuidad y otras, separación”, comenta Assumpção, director del doctorado de Ciardelli y actualmente realizando una pasantía posdoctoral en la Universidad Northwestern (EE. UU.). “Melo zanjó la discusión al demostrar que hubo un angostamiento o un desgaste a lo largo del río Amazonas”.
El físico Marcelo Rocha, de la UnB, quien trabaja con tomografía de la litósfera desde 2001 discrepa. “No está todo dicho. Cualquier conclusión aún es prematura, porque disponemos de pocos datos sobre la región, una de las menos estudiadas de Brasil. Allí, las estaciones sísmicas son pocas y se encuentran a 800 o 1.000 km de distancia unas de otras”, dice. “De hecho, con respecto al cratón amazónico, no se trata ni de uno ni de dos, sino de muchos, con edades distintas, que varían entre 3.100 y 1.000 millones de años”. El hecho de que haya rocas con las mismas edades a cada lado, tal como los geólogos lo han constatado hace décadas, indica que el cratón habría sido un bloque único que en algún momento se dividió en dos, al menos a nivel superficial, abriendo un valle que posteriormente fue ocupado por el río Amazonas.
El grupo de Dublín sostiene que el magma pudo haber ascendido al menos en dos períodos, uno hace unos 550 millones de años y otro hace unos 200 millones de años, a través de una grieta ‒o rift‒ en una región más delgada de la litósfera cercana a Manaos [Amazonas], separando las dos partes del cratón. Nuevamente, Rocha disiente: “La ruptura no llegó a completarse, sino que atravesó todo el cratón, de este a oeste”. Fuck añade: “La ruptura no progresó, lo que habría formado un mar separando ambos bloques, pero dio origen a las cuencas sedimentarias del Amazonas y el Solimões”.
Melo replica: “No conocemos ni el formato ni la extensión exacta del rift, o si la litósfera ya se encontraba segmentada previamente, facilitando su propagación en determinada dirección”.
Con el equipo de Dublín, también redefinió los contornos y el formato del cratón de São Francisco, delimitado al este por Serra do Espinhaço, formación montañosa que se extiende a lo largo de unos 1.000 km por los estados de Minas Gerais y Bahía, con una altitud máxima de 2.072 m. En esta nueva versión, en lugar de un bloque único, tal como lo indicaban las mediciones geológicas superficiales, el cratón se presenta más alargado, con una región central más profunda en su centro y dos menores situadas al nordeste y al sudeste.
En la tomografía, debido al límite de resolución, el bloque del cratón de Paranapanema podría estar unido al cratón de São Francisco, pero aún no queda claro. “El bloque más grande situado justo al sur del cratón de São Francisco se encuentra demasiado cerca del bloque central como para que la tomografía consiga delimitarlos”, dice Melo. En los análisis del cratón de São Francisco realizados por el grupo de Rocha y publicados en julio de 2019 en la revista Geophysical Journal International, ambos bloques aparecen separados.
Otra divergencia: Ciardelli identificó al cratón de Paranapanema como un bloque único, mientras que Melo lo vio fragmentado. Las conclusiones difieren debido a sus enfoques metodológicos, ya que los análisis se basaron en diferentes ondas sísmicas, más adecuadas para definir la profundidad o el ancho de los bloques de la litósfera. “Es probable que nos lleve algunos años arribar a la conclusión de cuál es el mejor modelo para analizar los datos geofísicos”, tercia Rocha.
Pese a las dudas y a las mediciones indirectas, estos estudios constituyen un avance, pues indican el formato probable de los bloques rocosos situados a cientos de kilómetros por debajo de la superficie, mucho más allá de la capacidad de observación directa del interior de la Tierra. El pozo más profundo, perforado entre 1970 y 1989 en la península de Kola (Rusia), tiene 12,2 km de profundidad.
Este artículo salió publicado con el título “A 600 kilómetros bajo la superficie” en la edición impresa n° 348 de febrero de 2025.
Proyectos
1. Las cuencas de Pantanal, Gran Chaco y Paraná (PCPB): evolución y estructura sísmica de la corteza y el manto superior (no 13/24215-6); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Marcelo Sousa de Assumpção (USP); Inversión R$ 7.188.833,62.
2. La tomografía de forma de onda en América del Sur con los métodos de elementos espectrales y adjuntos (no 16/03120-5); Modalidad Beca doctoral; Investigador responsable Marcelo Sousa de Assumpção (USP); Becario Caio Henrique Ciardelli; Inversión R$ 275.045,61.
Artículos científicos
CIARDELLI, C. et al. Adjoint waveform tomography of South America. Journal of Geophysical Research-Solid Earth. v. 127, n. 2. 2 ene. 2022.
CHAGAS de MELO, B. de et al. The lithosphere of South America from seismic tomography: Structure, evolution, and control on tectonics and magmatism. Gondwana Research. v. 138, p. 139-67. feb. 2025.
ROCHA, M. P. et al. Delimiting the Neoproterozoic São Francisco Paleocontinental Block with P-wave traveltime tomography. Geophysical Journal International. v. 219, n. 1, p. 633-44. 19 jul. 2019.
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