TECTÔNICA DE PLACAS, PLUMAS, HETEROGENEIDADES DO MANTO
E A ORIGEM DA PROVÍNCIA MAGMÁTICA DO PARANÁ
Leila Soares Marques
Departamento de Geofísica, Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, USP. Rua do Matão, 1226 – Cidade Universitária. CEP 05508-090. São Paulo, SP.
E-mail: leila@iag.usp.br
Resumo – A origem das grandes províncias ígneas é um assunto de grande debate. Embora um grande número de trabalhos proponha que esse tipo de magmatismo seja gerado pelo impacto de plumas mantélicas na base da litosfera, as características geológicas, geoquímicas e isotópicas de muitas províncias não são explicadas por esse tipo de processo. Heterogeneidades na astenosfera, causadas pelo próprio processo de tectônica de placas, associadas a zonas de fraqueza na litosfera, podem também originar volumoso vulcanismo intraplaca. Este trabalho apresenta uma síntese dos principais modelos de geração de províncias ígneas, com ênfase na origem da Província Magmática do Paraná, que constitui uma das maiores manifestações de vulcanismo basáltico continental do planeta.
Palavras-Chave: Província Magmática do Paraná; Pluma de Tristão da Cunha; províncias de basaltos continentais; heterogeneidades mantélicas.
Abstract – The origin of large igneous provinces is a highly debated subject. Although numerous papers invoke that mantle plume impact beneath the lithosphere triggers the magmatism, the geological, geochemical and isotope characteristics of many provinces are not compatible with this type of process. Shallow heterogeneities in the asthenosphere, originated by plate tectonic processes, associated with lithosphere weakness, can also generate voluminous intraplate volcanism. This paper presents a summary of the main models for large igneous province generation, focusing the origin of Paraná Magmatic Province, which is one of the largest continental flood basalts of the world.
Keywords: Paraná Magmatic Province, Tristan da Cunha plume, continental flood basalts, mantle heterogeneities.
1. Introdução
A teoria de tectônica de placas foi proposta há mais de 40 anos, explicando tanto as principais feições tectônicas da superfície terrestre, como também o fato da sismicidade e vulcanismo ocorrerem concentrados em algumas regiões do planeta. Para justificar o magmatismo intraplaca e a produção de maior volume de magma em locais específicos de algumas cadeias oceânicas, foi proposta a existência de grandes anomalias térmicas no manto (Wilson, 1963), com a introdução do conceito de plumas térmicas fixas e de origem profunda (Morgan, 1971), como as responsáveis pela origem de cadeias lineares de ilhas oceânicas e montes submarinos. A partir do final da década de 80 o modelo de plumas mantélicas passou a ser uma das teorias mais difundidas na literatura internacional (Richards et al., 1989; White & Mckenzie, 1995), para explicar a origem das grandes províncias de basaltos continentais e oceânicos, como também os processos de ruptura continental associados. Nesse modelo, cuja base é essencialmente térmica, as diferenças nas características geoquímicas e isotópicas entre o magmatismo de ilhas e de cadeias oceânicas são explicadas pela existência de dois grandes reservatórios mantélicos, de composição distinta, separados pela descontinuidade sísmica (transição de fase) situada a 660 km de profundidade. O reservatório mais profundo seria a fonte do magmatismo de ilhas oceânicas (OIB), enquanto no mais raso seriam originados os basaltos das dorsais meso-oceânicas (MORB).
Nestes últimos anos, com a integração de dados geoquímicos e geofísicos, como também com o aumento da qualidade desses resultados, os modelos de geração de províncias ígneas foram sofrendo reformulações significativas, já que o modelo clássico de plumas mostrou-se incompatível com essas novas informações (King & Anderson, 1995; Anderson, 1998; Smith & Lewis, 1999; Sheth, 1999). Além disso, hipóteses alternativas estão sendo propostas, nas quais o manto sub-litosférico (astenosfera e mesosfera) é heterogêneo tanto na vertical como na horizontal, implicando que os movimentos de convecção são incapazes de promover sua completa homogeneização. Embora a origem, escala e natureza dessas heterogeneidades seja ainda um assunto muito debatido, elas parecem desempenhar um papel muito importante na geração de magmatismo intraplaca, podendo originar grandes províncias basálticas (Anderson, 2005).
A atividade ígnea ocorrida na Bacia do Paraná há cerca de 130 Ma, originando uma das maiores províncias de basaltos continentais já assinaladas na literatura, constitui uma fonte de grande importância para o entendimento dos processos geodinâmicos responsáveis pelo magmatismo intraplaca e fragmentação de continentes. Entretanto, mesmo tendo sido objeto de muitos estudos geológicos, geoquímicos, isotópicos e geofísicos, as causas para a geração do enorme volume de rochas intrusivas e extrusivas dessa província não são completamente conhecidas. Embora na maior parte dos trabalhos seja proposta a participação da Pluma de Tristão da Cunha (O’Connor & Duncan, 1990; Gibson et al., 1995, 1999; Milner & Le Roex; 1996; Ewart et al., 1998), a análise integrada de dados geofísicos, geoquímicos e geocronológicos tanto da província, como também, da Ilha de Tristão da Cunha e das cadeias submarinas Walvis e Rio Grande não corrobora o envolvimento desta pluma, sendo que hipóteses alternativas devem ser buscadas.
2. Modelos de Geração de Magmatismo Intraplaca
Sem dúvida alguma a grande maioria dos trabalhos publicados na literatura propõe que a geração de grandes províncias basálticas esteja relacionada ao impacto de plumas mantélicas na base da litosfera. De acordo com experimentos de laboratório e modelos numéricos envolvendo dinâmica de fluídos em sistemas aquecidos, as plumas são definidas como sendo grandes anomalias térmicas originadas na interface manto-núcleo (Richards et al., 1989) ou na descontinuidade de 660 km de profundidade (Anderson et al., 1992).
Os primeiros trabalhos de catalogação de vulcanismo (tipo ponto quente) associado a plumas mantélicas, foram realizados já no início da década de 70. Devido à falta de critérios para classificação dos diferentes tipos de manifestação vulcânica, cerca de 120 pontos quentes originados em processos recentes (último milhão de anos) chegaram a ser catalogados. Atualmente, esse número foi significativamente reduzido com a exclusão de vulcanismo associado a regiões de fraqueza na litosfera ou a anomalias térmicas rasas. Estas últimas podem ser causadas por movimentos de convecção de pequena escala, devido a variações laterais de temperatura, que podem ocorrer nas margens de litosfera cratônica ou em bordas de placas (edge-driven convection; King & Anderson, 1998; Ritsema & Allen, 2003).
Courtillot et al. (2003) propuseram 5 critérios indispensáveis para classificar uma atividade vulcânica como tipo ponto quente, ou seja, relacionada a uma pluma mantélica. São eles: a) existência de cadeias vulcânicas lineares com progressão gradual de idade; b) presença de uma província basáltica (com picritos) situada na extremidade da cadeia; c) altas razões 3He/4He nas rochas vulcânicas (pelo menos 10 vezes maior que a razão atmosférica, indicando fonte profunda gasificada); d) existência de anomalias sísmicas de baixa velocidade (matéria sob alta temperatura e conseqüentemente menos densa) em profundidades de cerca de 500 km; e) alta taxa de matéria/massa ascendente (> 1mg/s) no manto. De acordo com esses autores, se pelos menos 3 desses critérios forem satisfeitos há garantia que o vulcanismo seja resultante de anomalias térmicas de origem profunda. Dos possíveis 49 pontos quentes em atividade na superfície terrestre, somente cerca de 10, que foram denominados de pontos quentes primários, podem estar associados a anomalias térmicas originadas na interface manto-núcleo (camada D´´). Cerca de 20 deles, denominados de secundários, são produzidos por 2 superplumas localizadas sob o Pacífico e África, tendo relação com anomalias térmicas existentes na base da zona de transição do manto (660 km de profundidade). Os restantes estão apenas
relacionados a processos mais superficiais que ocorrem na astenosfera, tais como convecção de pequena escala e descompressão adiabática, dentre outros.
Em um trabalho mais recente, Anderson (2005) revisou e ampliou o número de critérios propostos por Courtillot et al. (2003). Nessa nova análise muitos pontos quentes que haviam sido classificados como primários, satisfizeram poucos requisitos, tais como Afar, Islândia, Havaí, Ilha de Páscoa, Louisville e Reunião. Dados de temperatura dos magmas, fluxo geotérmico, espessura da zona de transição do manto e tomografia sísmica de alta resolução do manto inferior e superior foram introduzidos como critérios adicionais para esse diagnóstico.
Com base nessas observações, Anderson (2005) propôs que a grande maioria (da ordem de 86%) do vulcanismo considerado como tipo ponto quente corresponde apenas a manifestações associadas à tectônica de placas. Neste caso, o processo de fusão ocorre em baixas profundidades, sendo causado por heterogeneidades (litosfera reciclada), variação na fertilidade (presença de água e outros voláteis) do manto, convecção de pequena escala e zonas de fraqueza na litosfera oceânica e continental (sutura, falhas transformantes, segmentos de dorsal abandonados, bordas de placas ainda incipientes). Esse autor utiliza a denominação “modelo de placa” para se referir ao magmatismo originado por esses processos rasos, estabelecendo também um conjunto de critérios para auxiliar nessa identificação, incluindo dados de tomografia de alta resolução, altura geoidal, fluxo térmico e existência de feições tectônicas indicadoras de possíveis zonas de fraqueza.
De acordo com o modelo de placa, a parte superior do manto (até cerca de 1000 km de profundidade) é fortemente heterogênea, contendo fragmentos de litosfera subductada ou delaminada. A fusão total ou parcial dessas heterogeneidades é a principal causa da variação das características químicas e isotópicas observadas em basaltos oceânicos (componentes mantélicos DMM, EMI, EM2 e HIMU; Zindler & Hart, 1986). Além disso, no modelo é proposto que as altas razões 3He/4He observadas em algumas dessas rochas não são devidas a altas concentrações de
3
He cosmogênico, mas resultantes do empobrecimento de 4He, devido à baixa concentração de U e Th de certas fontes, como por exemplo, cumulatos de crosta oceânica reciclada.
Os dados de tomografia sísmica têm sido muito utilizados na literatura para corroborar o modelo de pluma. Entretanto, mesmo havendo indicação de que a litosfera oceânica em subducção pode atravessar a descontinuidade de 660 km (Ritsema et al., 1999; Romanowics, 2003), implicando que as heterogeneidades localizam-se em manto profundo, há ambigüidades relacionadas com a interpretação desses resultados. Além da necessidade de modelos de velocidades das ondas sísmicas para o estabelecimento de um padrão, um mesmo tipo de anomalia tomográfica pode ser originado por causas distintas (Van der Hilst, 2004). Altas velocidades sísmicas não correspondem obrigatoriamente à litosfera fria subductada, podendo ser regiões constituídas por sólido residual produzido em processos de fusão anteriores. Por outro lado, anomalias de baixa velocidade sísmica não estão necessariamente ligadas a altas temperaturas e baixas densidades, podendo corresponder a zonas contendo eclogito (crosta oceânica subductada ou base de crosta continental delaminada). Embora esta rocha tenha alta densidade, ela é caracterizada por baixas velocidades de propagação de ondas sísmicas (Anderson, 2005). É importante também destacar que estudos de petrologia experimental mostraram que eclogitos podem ser muito estáveis em profundidades de até 660 km, desde que estejam sob temperatura relativamente baixa, ou seja, enquanto o fragmento de crosta delaminada ou de litosfera oceânica subductada não atinge equilíbrio térmico com a astenosfera circundante. Entretanto, antes que o equilíbrio térmico seja atingido, os eclogitos fundem parcialmente, originando anomalias de fusão com baixa densidade, que ascendem em direção à superfície. Equivocadamente, anomalias de fusão são por vezes interpretadas pela tomografia sísmica como regiões de alta temperatura (plumas) no manto.
3. Ajuste dos Modelos de Pluma e Placa à Província Magmática do Paraná
Para verificar se a magmatismo ocorrido na Bacia do Paraná, no Cretáceo Inferior, pode se encaixar no modelo de placa ou de pluma, é necessário primeiramente observar suas principais características, como também aquelas da Ilha de Tristão da Cunha.
Segundo Courtillot et al. (2003), Tristão da Cunha é um ponto quente primário (origem profunda) pelo fato de satisfazer, no diagnóstico de identificação, os seguintes critérios: 1) o impacto da pluma na base da litosfera do Gondwana Ocidental, quando América do Sul e África faziam parte de um mesmo continente, originou as províncias magmáticas do Paraná e do Etendeka, que constitui uma das maiores manifestações de vulcanismo basáltico continental assinaladas na literatura; 2) as cadeias submarinas de Rio Grande e Walvis correspondem ao traço deixado por essa pluma sobre o assoalho oceânico, sendo que as datações 40Ar-39Ar nos basaltos desta última mostram uma progressão monotônica de idades (de 30 a 113 Ma; Müller et al., 1993); 3) a taxa de massa ascendente, determinada por anomalias de geóide, é de 1,7 mg/s (Sleep, 1990). As baixas razões isotópicas 3He/4He (cerca de 7 vezes maior que a razão atmosférica; Farley & Neroda, 1998) nas rochas vulcânicas de Tristão da Cunha e a falta de uma anomalia de baixa velocidade sísmica no manto subjacente a 500 km de profundidade (Ritsema & Allen, 2003; Montelli et al., 2006) são os dois critérios que não foram atendidos.
Para explicar a provincialidade geoquímica que ocorre na Província Magmática do Paraná, na qual basaltos com baixo titânio e alto titânio ocorrem preferencialmente na sua parte sul e norte, respectivamente, como também as características isotópicas, que apontam para fusão de manto litosférico subcontinental heterogêneo (Marques et al.,1999; Peate et al, 1999), foi proposto que o material da pluma foi fortemente contaminado pelo manto litosférico
(Gibson et al., 1995, 1999; Ewart et al., 1998), ou seja, que a pluma contribuiu apenas como fonte de calor para o magmatismo (Comin-Chiaramonti et al., 1997; Peate et al., 1999; Hawkesworth et al., 2000).
No trabalho de revisão dos critérios do modelo de placa efetuado por Anderson (2005), Tristão da Cunha só atendeu seguramente a apenas um critério. De acordo com uma análise mais rigorosa das idades da cadeia de Walvis efetuada por Baksi (2005), somente uma das idades publicadas por Müller et al. (1993) pode ser considerada como confiável e, portanto, não pode ser afirmado que há progressão de idades na cadeia. A quantidade de massa ascendente foi também questionada e provavelmente 1 mg/s é o valor máximo que pode ser atribuído para essa taxa.
A reconstrução da posição da placa Sul-Americana na época em que a Província Magmática do Paraná foi originada (~133 Ma), baseada em dados paleomagnéticos, mostra que a atividade ígnea ocorreu em uma região muito distante da área de abrangência de Tristão da Cunha (Ernesto et al., 2002), constituindo mais uma forte evidência de que o modelo clássico de pluma não explica a origem dessa província. Cabe destacar, que esse tipo de reconstrução é freqüentemente ignorado nos modelos de pluma, sendo esta colocada arbitrariamente nas imediações do Arco de Ponta Grossa (e.g. O’Connor & Duncan, 1990) ou no extremo norte da província, onde os dados de tomografia mostram a presença de uma anomalia de baixa velocidade sísmica, que foi interpretada por VanDecar et al. (1995) como sendo a pluma fóssil de Tristão da Cunha.
Segundo o modelo de placa, as cadeias submarinas Walvis e Rio Grande foram formadas por processos de alívio de pressão em fraturas, originadas pela acomodação de esforços na litosfera oceânica, devido à movimentação das placas litosféricas, conforme demonstrado por Fairhead & Wilson (2005) na análise de anomalias gravimétricas ar-livre. Processos de origem rasa, envolvendo, por exemplo, delaminação da base de crosta continental máfica (densa), fria e espessa (Lustrino, 2005) constituem também uma possibilidade para a origem do vulcanismo na Bacia do Paraná, por poderem gerar as características geoquímicas e isotópicas observadas nesses basaltos.
Os dados paleomagnéticos, que mostram também que por cerca de 50 Ma (entre 180 e 130 Ma) a região do Gondwana Ocidental onde se desenvolveu a Província Magmática do Paraná permaneceu quase estacionária (Ernesto et al, 2002), corroboram também o modelo de placa. Uma vez que a transferência de calor é baixa na litosfera, este tende a ser acumulado em sua base, principalmente quando grandes superfícies continentais são envolvidas. Conforme demonstrado por Coltice et al. (2007), esse processo pode elevar a temperatura na base da litosfera em cerca de 100 °C e, sob essa condição, mesmo um alívio de pressão relativamente baixo, causado pelos estágios insipientes de ruptura continental, permitiu que a temperatura do solidus fosse atingida (e.g. McKenzie & Bickle, 1988), causando fusão parcial de manto litosférico. Este processo foi também favorecido pela própria constituição do embasamento da Bacia do Paraná, que por ser composto por domínios litosféricos distintos (Cordani et al., 1984), possui zonas de fraqueza que facilitaram a ocorrência de processos de ruptura, mesmo sob condições de esforços distensivos relativamente baixos (e.g. Sheth, 1999). Desta forma, foram criadas as condições necessárias para a fusão de manto litosférico subcontinental, com a geração das rochas basálticas que constituem a Província Magmática do Paraná.
4. Conclusões
A análise das características geoquímicas, isotópicas e geocronológicas da Província Magmática do Paraná, das cadeias submarinas Walvis e Rio Grande e da Ilha de Tristão da Cunha, juntamente com dados geofísicos de tomografia de ondas sísmicas, paleomagnetismo e gravimetria, indica que essas manifestações vulcânicas foram originadas em processos de fusão mantélica que ocorreram sob baixa profundidade, conforme o modelo de placa proposto por Anderson (2005).
No que se refere ao magmatismo do Atlântico Sul, cujos dados geoquímicos e isotópicos mostram a participação de fontes mantélicas com diferentes características, a tomografia sísmica (King & Anderson, 1998; King & Ritsema, 2000) está fornecendo uma evidência adicional para a origem dessas heterogeneidades, conforme discutido por Meysen et al. (2007). Além de fragmentos de manto litosférico continental, desmembrados no processo de ruptura entre a América do Sul e África (Smith & Lewis, 1999), convecção de pequena escala pode causar erosão da base da litosfera desses dois continentes, contribuindo para aumentar as heterogeneidades da astenosfera nessa região.
5. Agradecimentos
Este trabalho contou com o apoio financeiro da FAPESP e do CNPq.
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