Resumos · GeologiaPT · Secundário

Dinâmica do manto e da litosfera

Identifica-se o motor da Tectónica de Placas: o calor interno da Terra e a sua dissipação por convecção no manto. Estudam-se as correntes de convecção como mecanismo de transporte das placas, as plumas mantélicas e os pontos quentes (que explicam o vulcanismo intraplaca e cadeias como a do Havai), e as forças que atuam sobre as placas (ridge-push, slab-pull). Disciplina de opção sem Exame Final Nacional (avaliação interna).

4 secções~14 min de leitura3 competênciasNível Padrão 1 · Aprofundamento 3

T·0333 / 16

Perfil de exame

Relacionar o calor interno da Terra com a convecção do mantoExplicar as correntes de convecção como motor da tectónica de placasCaracterizar plumas e pontos quentes e relacionar a idade de cadeias intraplaca com a velocidade da placa

Operadores:explicarelacionadescrevecalculainterpreta

nível básico

Reconhecer que a convecção do manto move as placas e que os pontos quentes geram vulcanismo intraplaca.

nível avançado

Distinguir modelos de convecção e forças de condução das placas, e calcular velocidades a partir de cadeias de pontos quentes.

Profundidade

Texto

Conteúdo · 4 secções

Dinâmica do manto e da litosfera

O calor interno e a sua transferência#

PadrãoAE-geologia-12-tectonica

A dinâmica da Terra é, em última análise, um problema de «energia térmica»: o planeta possui um interior quente que perde calor continuamente para o exterior, e é essa transferência de calor que anima toda a tectónica. Compreender as fontes desse calor e o modo como ele é transferido é, por isso, o ponto de partida para explicar o movimento das placas (ver Fig. 1).

Do calor interno ao movimento das placas

Fig. 1Fig. 1 — A cadeia causal da tectónica: o calor interno alimenta a convecção do manto, que move as placas e gera a atividade geológica.

O calor interno tem «duas origens» principais. A primeira é o «calor residual» (ou primordial): o calor libertado na formação do planeta, há ~4600 Ma — a energia da acreção (colisões dos planetesimais) e da diferenciação (afundamento do ferro para o núcleo) —, que a Terra ainda está a dissipar. A segunda, e hoje dominante, é o «calor radiogénico»: o calor libertado pelo decaimento de isótopos radioativos de vida longa presentes nas rochas (sobretudo urânio-238, tório-232 e potássio-40).

Este calor migra do interior quente para a superfície fria por dois mecanismos físicos distintos. A «condução» transfere calor de partícula para partícula, sem transporte de matéria; é eficaz em materiais rígidos e finos, como a litosfera, mas é «lenta» em grandes espessuras. A «convecção» transfere calor «com transporte de matéria»: o material quente, menos denso, ascende, e o material frio, mais denso, desce, formando células de circulação. É o mecanismo dominante no manto.

A distinção é essencial: através da litosfera rígida o calor sai sobretudo por «condução» (por isso a temperatura aumenta com a profundidade — o «gradiente geotérmico», da ordem de 25-30 °C/km na crosta); mas no manto, ao longo de milhares de quilómetros, a condução seria demasiado lenta para explicar o fluxo de calor observado. O manto, apesar de sólido, comporta-se a longo prazo como um fluido muito viscoso, e dissipa o seu calor por «convecção».

É, pois, a convecção do manto que fecha a explicação que faltava a Wegener: as correntes de convecção do manto constituem o «motor» que movimenta as placas litosféricas assentes sobre a astenosfera. A energia térmica interna converte-se, através da convecção, em energia mecânica que desloca continentes e abre e fecha oceanos.

Exemplo resolvido

Fontes do calor interno

Indica as duas fontes principais do calor interno da Terra e justifica por que a segunda mantém o planeta quente ao longo de milhares de milhões de anos.

Calor residual
Calor primordial da formação do planeta (acreção e diferenciação), que ainda está a ser dissipado.
Calor radiogénico
Calor libertado pelo decaimento de isótopos radioativos de vida longa (U-238, Th-232, K-40) presentes nas rochas.
Justificar a durabilidade
Como esses isótopos têm meias-vidas de milhares de milhões de anos, o calor radiogénico produz-se continuamente e mantém o interior quente ao longo do tempo geológico.

Resultado: As fontes são o calor residual e o calor radiogénico; este último, pela longa meia-vida dos isótopos, sustenta o calor interno durante toda a história da Terra.

Erros frequentes

Pensar que o calor interno é só « o calor da formação » — hoje o calor radiogénico (decaimento de U, Th, K) é a fonte dominante.
Afirmar que a convecção ocorre porque o manto é líquido — o manto é sólido, mas flui plasticamente ao longo de milhões de anos.

Revisão ativa

Explica por que o mecanismo de transferência de calor dominante no manto é a convecção e não a condução.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Geologia — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

As correntes de convecção do manto#

AprofundamentoAE-geologia-12-tectonica

A «convecção» estabelece-se sempre que um fluido é aquecido por baixo e arrefecido por cima. O material próximo da fonte quente (a base do manto, junto ao núcleo) dilata, torna-se menos denso e «ascende»; ao aproximar-se da superfície fria, arrefece, contrai, torna-se mais denso e «desce». O ciclo fecha-se numa «célula de convecção» — um circuito fechado de circulação de matéria (ver Fig. 2).

Célula de convecção do manto

Fig. 2Fig. 2 — Correntes de convecção do manto: ascensão sob a dorsal (centro), fluxo lateral sob a litosfera e descida sob as zonas de subducção (bordos).

No manto, os ramos «ascendentes» das células situam-se, tipicamente, sob as «dorsais oceânicas»: aí o material quente sobe, provoca a fusão parcial e o vulcanismo que cria nova litosfera, e diverge lateralmente à superfície, empurrando as placas para os lados. Os ramos «descendentes» situam-se sob as «zonas de subducção»: aí o material frio afunda, arrastando consigo a litosfera oceânica de volta ao manto.

As placas litosféricas comportam-se, assim, como a «parte superior e fria» das células de convecção: são elas próprias o ramo frio e descendente do sistema. Esta é uma perspetiva moderna importante — as placas não são apenas «passageiros» transportados por correntes profundas; participam ativamente na convecção, e a sua própria densidade (quando frias e velhas) contribui para as pôr em movimento.

A escala destes fenómenos é gigantesca e os ritmos, lentíssimos: as células de convecção envolvem milhares de quilómetros de manto e circulam a velocidades da ordem de centímetros por ano, completando um ciclo em muitas dezenas ou centenas de milhões de anos. O manto, sólido à escala humana, flui como um fluido viscoso à escala do tempo geológico — uma «reologia dúctil» que só se manifesta em intervalos de tempo imensos.

A convecção do manto explica, de um só golpe, o essencial da tectónica: por que as dorsais e as fossas se distribuem como se distribuem, por que as placas se movem a poucos centímetros por ano, e por que o calor interno é eficazmente dissipado. É o elo que converte a energia térmica do interior em movimento das placas à superfície.

Exemplo resolvido

Localizar os ramos de convecção

Numa célula de convecção do manto, onde se localizam os ramos ascendente e descendente relativamente aos limites de placas? Justifica com o que ocorre em cada um.

Ramo ascendente
Sob os limites divergentes (dorsais): o material quente sobe, funde parcialmente e diverge, criando litosfera e empurrando as placas.
Ramo descendente
Sob as zonas de subducção: o material frio (a litosfera oceânica velha e densa) afunda, arrastando a placa para o manto.
Concluir
As correntes de convecção ligam a criação de litosfera (ramo ascendente/dorsal) à sua destruição (ramo descendente/subducção).

Resultado: Ramo ascendente sob as dorsais (criação de litosfera) e ramo descendente sob as zonas de subducção (destruição) — os dois extremos da mesma célula convectiva.

Erros frequentes

Imaginar as células de convecção como circulação rápida — os ritmos são de centímetros por ano, em ciclos de dezenas a centenas de Ma.
Ver as placas apenas como passageiros passivos — elas são o ramo frio e descendente da própria convecção.

Revisão ativa

Relaciona os ramos ascendente e descendente de uma célula de convecção do manto com os limites divergentes e as zonas de subducção.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Geologia — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Plumas mantélicas e pontos quentes#

AprofundamentoAE-geologia-12-tectonica

Nem todo o vulcanismo ocorre nos limites das placas. Existe um vulcanismo «intraplaca», no interior das placas, longe de qualquer fronteira, que a convecção geral não explica. A sua origem está nas «plumas mantélicas»: colunas estreitas e quentes de material do manto que ascendem, de forma relativamente fixa, desde grandes profundidades até à base da litosfera.

Onde uma pluma atinge a base da litosfera, o calor concentrado provoca fusão parcial e gera um «ponto quente» (hot spot) — um foco de vulcanismo persistente e localizado. Como a pluma é aproximadamente «fixa» em relação ao manto profundo, enquanto a «placa se move por cima dela», o ponto quente vai perfurando sucessivamente pontos diferentes da placa ao longo do tempo.

O resultado é uma «cadeia de vulcões alinhada» (ver Fig. 3): sobre o ponto quente encontra-se o vulcão «ativo» (idade zero); afastando-se dele, ao longo da direção do movimento da placa, sucedem-se vulcões cada vez mais «antigos» e progressivamente «extintos e erodidos». O arquipélago do Havai e a cadeia Havai-Imperador são o exemplo clássico: as ilhas ficam mais antigas e mais desgastadas à medida que nos afastamos da ilha vulcanicamente ativa.

Cadeia vulcânica sobre um ponto quente

Fig. 3Fig. 3 — A pluma (fixa) alimenta o vulcão ativo; a placa desloca-se e afasta os vulcões, que envelhecem e se erodem ao longo da cadeia.

Esta configuração torna os pontos quentes «cronómetros e velocímetros» do movimento das placas. Como a idade dos vulcões aumenta de forma regular com a distância ao ponto quente, a relação «velocidade = distância / idade» permite calcular a velocidade (e a direção) do movimento absoluto da placa sobre o manto — um método independente do das anomalias magnéticas das dorsais.

Uma subtileza: os pontos quentes só são aproximadamente fixos, e é hoje reconhecido que as plumas se podem deslocar lentamente; ainda assim, à escala de alguns milhões de anos, a hipótese do ponto quente fixo funciona bem e é a base da interpretação das cadeias vulcânicas intraplaca. Alinhamentos como o Havai-Imperador registam mesmo mudanças na direção do movimento da placa (a inflexão da cadeia).

v = \dfrac{d}{t}

Velocidade da placa (ponto quente)

d é a distância de um vulcão ao ponto quente atual e t a sua idade; v é a velocidade absoluta do movimento da placa sobre o manto.

Exemplo resolvido

Velocidade de uma placa por um ponto quente

Numa cadeia de ponto quente, uma ilha extinta dista 400 km da ilha ativa e está datada em 5 Ma. Calcula a velocidade do movimento da placa em cm/ano.

Aplicar v = d/t
v = 400 km / 5 Ma = 80 km/Ma.
$v = \dfrac{400\ \text{km}}{5\ \text{Ma}} = 80\ \text{km/Ma}$
Converter para cm/ano
80 km/Ma × 0,1 (cm/ano por km/Ma) = 8 cm/ano.
Interpretar
A placa move-se a ~8 cm/ano na direção que aponta do ponto quente para a ilha ativa.

Resultado: A placa move-se a cerca de 8 cm/ano — um valor típico das placas oceânicas mais rápidas (como a Pacífica).

Erros frequentes

Confundir vulcanismo intraplaca (ponto quente) com vulcanismo de limite de placas (dorsal ou subducção).
Pensar que os vulcões da cadeia se formaram todos ao mesmo tempo — formaram-se sucessivamente, à medida que a placa passou sobre o ponto quente.

Revisão ativa

Numa cadeia de ilhas vulcânicas, a idade aumenta com a distância à ilha ativa. Explica como se forma esta cadeia e o que ela revela sobre o movimento da placa.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Geologia — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Modelos de convecção e forças de condução das placas#

AprofundamentoAE-geologia-12-tectonica

A comunidade científica ainda debate «como» exatamente o manto convecta, e há dois grandes «modelos». No modelo de «convecção em duas camadas», o manto superior e o manto inferior convectariam separadamente, sem grande troca de matéria através da fronteira dos ~660 km. No modelo de «convecção geral» (camada única, ou whole-mantle), a circulação envolveria todo o manto, do núcleo à litosfera, num só sistema. Os dados atuais (tomografia sísmica) apontam para um comportamento intermédio e mais complexo do que qualquer modelo simples.

Independentemente do modelo, distinguem-se hoje várias «forças» que atuam sobre as placas. A «força de arrasto basal» (mantle drag) é o atrito da astenosfera convectante sob a placa — foi a força classicamente invocada, com a placa a ser «arrastada por baixo». Mas reconheceu-se que outras duas forças, ligadas aos bordos da placa, são frequentemente «dominantes».

A «força de empurrão da dorsal» (ridge-push) resulta da própria dorsal: sendo mais alta e quente, a dorsal exerce um empurrão gravitacional sobre a litosfera para os lados — a placa «desliza» ladeira abaixo, afastando-se do eixo. A «força de tração da placa» (slab-pull) resulta da subducção: a extremidade fria e densa da placa que mergulha na fossa «puxa» todo o resto da placa atrás de si, por ação do seu próprio peso.

Hoje considera-se que a «slab-pull» é, na maioria dos casos, a força «mais importante» — as placas com bordos em subducção movem-se, em geral, mais depressa do que as que não têm. Isto reforça a ideia da secção anterior: a placa não é um passageiro passivo, mas parte ativa do sistema, e o seu próprio peso, quando fria e velha, ajuda a movê-la (ver Fig. 4).

Forças que atuam sobre as placas

Fig. 4Fig. 4 — As três forças principais na condução das placas; a slab-pull é, em geral, a dominante.

Esta articulação entre convecção do manto e forças de bordo integra a dinâmica interna: o calor interno gera convecção; a convecção, associada às forças ridge-push e slab-pull, movimenta as placas; e o movimento das placas produz toda a atividade geológica dos limites. Compreender que existem «vários fatores em interação» — e não uma causa única — é uma marca do raciocínio geológico maduro, valorizada na avaliação.

Exemplo resolvido

Comparar forças de condução

Duas placas oceânicas têm dimensões semelhantes, mas apenas uma possui um bordo em subducção ativa. Qual se moverá previsivelmente mais depressa? Justifica.

Identificar a força adicional
A placa com bordo em subducção sofre a força de slab-pull: a extremidade fria e densa que mergulha puxa a placa.
Comparar magnitudes
A slab-pull é, em geral, a força dominante na condução das placas, superior ao arrasto basal e ao ridge-push.
Concluir
A placa com subducção ativa terá, previsivelmente, maior velocidade, pois beneficia da força adicional (e dominante) de slab-pull.

Resultado: A placa com bordo em subducção move-se mais depressa, porque a slab-pull — habitualmente a força dominante — a puxa ativamente para a fossa.

Erros frequentes

Apresentar a convecção como um mecanismo totalmente resolvido e único — há modelos em debate e várias forças em interação.
Reduzir o motor das placas ao arrasto basal, ignorando o ridge-push e, sobretudo, a slab-pull.

Revisão ativa

Explica por que as placas com bordos em subducção tendem a mover-se mais depressa, relacionando esse facto com a força de slab-pull.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Geologia — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

Aprendizagens Essenciais de Geologia — 12.º ano

Dinâmica do manto e da litosfera

4 secções~14 min de leitura3 competênciasNível Padrão 1 · Aprofundamento 3

Dinâmica do manto e da litosfera

Pontos-chave

Fontes do calor interno

Pontos-chave

Localizar os ramos de convecção

Pontos-chave

Velocidade de uma placa por um ponto quente

Pontos-chave

Comparar forças de condução

Fontes

Dinâmica do manto e da litosfera

Pontos-chave

Fontes do calor interno

Pontos-chave

Localizar os ramos de convecção

Pontos-chave

Velocidade de uma placa por um ponto quente

Pontos-chave

Comparar forças de condução

Fontes