Humans, Lakes, and Plate Tectonics in the Amazon Basin

Tectonics and surface processes have historically interfered with landscape and therefore with human societies. Earthquakes and floods are the most dramatic phenomenons in this respect, but there might be more subtile ways for the Solid Earth to shape our life style.
According to genetical and linguistic studies, the first humans arrived to the Americas in several migrations, starting ~15000 yr ago, around the end of the last glaciation. This age seems confirmed by datations of human coprolites from caves in Oregon (see Paisley Caves, at Lake Chewacan, original Science paper by Gilbert et al., 2008, here).

But when did these first migrants reach South America is as poorly constrained as controversial. In fact, it is now questioned that South America was populated from the north. Direct migrations from Asia across the Pacific may have occurred repeatedly during the Holocene. Equally debated are the causal relationship between three ubiquitous processes in the continent: the onset of a warmer climate since 10-15 kyr BP (Fig. 1), the massive extinction of most of the largest fauna of the continent, and the expansion of humans.

Fig. 1. Three proxies for surface temperature of the Earth, as a function of time (years BP). Young Dryas cold period is visible around 11kyr BP. Source: William M. Connolley in Commons

The puzzle becomes even more complicated because the Amazon basin is one of the most active sedimentary basins of the Cenozoic (last 65 million years), presently accumulating tens of centimeters of sediment every year, fed from the erosion of the second largest tectonic building in the world: the Andes. Needless to say, this long-term tectonic drive is also very sensitive to climate changes, in ways that are no yet well understood.

A candidate region to study the interactions between tectonics, climate and environment during the arrival of the hominids to South America is the Beni Basin. The mechanics of paleoenvironment must be well understood first, though. The Llanos de Moxos (LM) is the seasonally flooded savannah at the south-western Amazonia. This region is very sensitive to changes in hydrology and climate because of its extremely low topographic gradients and small changes in precipitation patterns can result in large shifts of the forest-savannah ecotone (Hamilton et al., 2004; Mayle et al., 2007).
The Llanos de Moxos (LM) is likely the region in Amazonia that was most intensely modified by pre-Columbians during the late Holocene (Erickson, 2008), but recently discovered earlier archaic archaeological sites suggests that hunter-gatherers inhabited the LM already since the early Holocene (Lombardo, 2012). From preliminary data, it seems that these early societies disappeared and the area was re-occupied by the so-called "earth movers" (Mann, 2000, 2008) only after a 2,000 year hiatus in the archaeological record. Some of the early Holocene archaeological sites were buried by sediments deposited when rivers entered a phase of high rate of avulsions (Lombardo et al., 2012). These shifts suggest that one or more major environmental changes happened in the LM during the Holocene causing the abandonment and burial of the early sites.

Fig. 2. Topographic map from Aalto et al., 2003. The Beni and Mamore river flood plains within the Llanos, northern Bolivia. The two rivers are the principal sediment and water sources for the Madeira River, the

largest sediment source for the Amazon

Little is known about the causes and the timing of these Mid-Holocene environmental changes of the LM landscape. Climate change is the usual suspect, as suggested by the coeval deposition of a sedimentary lobe of the Río Grande that buried some of the early sites (Lombardo et al., 2012) and the shift toward wetter conditions inferred from paleo-ecological archives (Baker et al., 2001; Mayle et al., 2000). However, current models of the long-term evolution of foreland basins consider the topography and drainage of these systems as mainly controlled by vertical surface motions related to 1) the rates of sediment supply and accumulation; 2) the long-term, long-wavelength isostatic subsidence of the Amazon foreland basin in response to the progradation of the Andean thrust belt and the increasing sediment weight (DeCelles & Giles, 1996; Garcia-Castellanos & Cloetingh, 2012); and 3) the tectonic uplift of a flexural forebulge in the external parts of the basin (Figs. 3 to 5), related to the same processes.

Fig. 3. Cartoon showing the standard partition of foreland basins and the main

processes involved in their evolution. From a hydrological point of view, the Amazon foreland

basin is an overflowed basin where sediment has overfilled the foredeep and the drainage is

carrying sediment beyond the forebulge uplift. After Garcia-Castellanos & Cloetingh (2012).

If tectonics have been the drive for the geological evolution of the Amazon foreland basin, it is reasonable to surmise that the neotectonic motions are still shaping the recent drainage history of the LM (see refs. by Dumont). But what are these motions? The green cover of the area difficults a direct assessment of what's going on in terms of neotectonics in the basin. What should we expect from the accumulated knowledge about the long-term history of foreland basin systems? (e.g. Garcia-Castellanos & Cloetingh, 2011; Fig. 3).

Fig. 4. After Roddaz, Baby, Herail et al., 2005, EPSL. Proposed model for the evolution of the Iquitos forebulge and the backbulge based on sediment provenance.

Fig. 5. After Roddaz, Baby, Herail et al., 2005 - Tentative Map for the Amazonian forebulge and backbulge associated to the weight of the Andes. 

T he geological history of Amazonia has been shaped by the uplift of the Andes during the Tertiary. Most of the area consists of a Tertiary sedimentary infill that accumulated in the trough resulting from the weight of the Andes, as its tectonic napes staked on top of the southamerican plate. When the Andes reached a significant elevation, they caused the onset of orographic precipitation, concentrating most rainfall along the eastern flank of the Andes. This resulted in higher erosion rates that changed the sedimentation regime in the Andean foreland and in Amazonia. The thickness of the deposited sediments reached more than 1000 meters. It is not clear if this happened between 23 and 10 Ma, due to the mechanism described above (Hoorn et al. 2010); or between 9 and 4.5 Ma, due to a reduction in the subduction angle of the Nazca plate in the Central Andes that shifted the sedimentation area eastward (Latrubesse et al. 2010). Nowadays these sediments constitute what is known as the Pebas  formation, which outcrops in several areas of Peru and Brazil. What did Amazonia look like during this period? The most accepted hypothesis suggests that a huge lake and wetland system formed in the foreland basin: the so-called Lake Pebas, presumably connected with the Caribbean Sea. The instability of this connection would contribute to explain the high diversity of fresh water fish with marine ancestors that now live in the Amazon river system (Hubert & Renno, 2006). For more info on this see How lake-like was Lake Pebas?

In this tectonic context, let's move back to the human colonization of the region:
In the Llanos de Moxos savannah, between 400 and 1400 AD, pre-Columbians built hundreds of monumental earth mounds, known locally as “lomas”. These earth mounds are planned, complex buildings made by one or more pyramids built on top of elevated platforms (Fig. 6). Monumental mounds can be up to 20 meters high and can cover up to 30 hectares. There are more than 350 of these pre-Columbian buildings in this area (see A story of people and rivers in the Amazon 5000 years ago, original paper here):

Figure 6. From this The Holocene paper.

Earlier than that, during the early Holocene (between 11,000 and 5,000 years ago) this portion of Amazonia was relatively dryer than today, inundations were less frequent and rivers transported few sediments. During these stable climatic conditions there was no deposition of fluvial sediments in the savannahs and soils were forming all over the Llanos de Moxos. But things changed during the Mid-Holocene, between 5 and 4 ky BP. The Rio Grande entered in a period of frequent avulsions and high sedimentation, probably triggered by wetter conditions. As a result, in the South-eastern LM, a ­fluvial distributary system formed. Suddenly, the landscape was transformed into a large swamp, dominated by something similar to an interior delta or a sedimentary lobe. The former soils were buried and the landscape became a mosaic of patches of savannahs closely interwoven and sometimes enclosed by forested paleo-levees.

Fig. 7. Google map of the Llanos de Moxos area.

Only by then, in the Late Holocene, did the pre-Columbians begun transforming the landscape. The lobe deposition favored the development of a complex pre-Columbian society by increasing the region’s agricultural potential. Firstly, it created a convex-up topography, which greatly reduced its susceptibility to ­flooding; secondly, the construction of the elevated ­fluvial levees significantly improved drainage conditions at the local scale. Furthermore, the Río Grande also provided relatively younger sediments derived from its Andean catchment that are rich in nutrients. Thus, the Río Grande removed the two biggest obstacles faced by tropical agriculture in the rest of Amazonia: severe waterlogging and poor soils. But the Río Grande’s job was not perfect: fl­uvial levees enclosed patches of ­floodplain, resulting in ponding and pronounced waterlogging. Thus pre-Columbian people had to transform the landscape through the construction of a drainage system in order to further improve agricultural conditions (Fig. 6).

The network of canals had a significant impact on the local edaphology: it pushed the forest-savannah boundary towards the savannah, eventually increasing the area of well-drained, usable land. The new inhabitants were lucky because they had several lakes placed on the top of the sedimentary lobe. Building canals that transported the water from the lakes to the agricultural fields they were able to perform agriculture even during the dry season.

These interpretations disregard the tectonic origin of the basin and its long-term control on environment commented above (see also refs. by Dumont). The ­fluvial landscape created by Río Grande was probably an important factor behind the emergence of the monumental mounds culture in the South-eastern LM, as it provided favorable soils, nutrients and drainage characteristics. Pre-Columbians additionally domesticated that environment by building a network of drainage canals. But what has been the role of the tectonic deformation during these events is yet an open question calling for answers, yet another reto terrícola. 

References:

• Aalto, R., Maurice-Bourgoin, L., Dunne, T., Montgomery, D.R., Nittrouer, C.A., Guyot, J.-L., 2003. Episodic sediment accumulation on Amazonian flood plains influenced by El Niño/Southern Oscillation. Nature, 425(6957), 493-497.
• DeCelles, P.G., and Giles, K.A. (1996) Foreland basin systems. Basin Research, 8, 105–123.
• Dumont, 1996 - Tectonophysics.     Dumont, Fournier - 1994 - Quaternary International.
• Garcia-Castellanos, D. & S. Cloetingh, 2011. Modeling the interaction between lithospheric and surface processes in foreland basins. In: Tectonics of Sedimentary Basins: Recent Advances, C. Busby & A. Azor (eds.). Blackwell Pub. Ltd., 152-181, doi:10.1002/9781444347166.ch8 [pdf]
• Lombardo, U., & Prümers, H. (2010). Pre-Columbian human occupation patterns in the eastern plains of the Llanos de Moxos, Bolivian Amazonia Journal of Archaeological Science, 37 (8), 1875-1885 DOI: 10.1016/j.jas.2010.02.011
• Lombardo, Jan-Hendrik May, & Heinz Veit (2012). Mid- to late-Holocene fluvial activity behind pre-Columbian social complexity in the southwestern Amazon basin The Holocene

Lombardo, U., May, J., & Veit, H. (2012). Mid- to late-Holocene fluvial activity behind pre-Columbian social complexity in the southwestern Amazon basin The Holocene, 22 (9), 1035-1045 DOI: 10.1177/0959683612437872

Cuestiones abiertas en geociencia

[English version here]

[Esta lista responde a una curiosidad personal sobre las preguntas científicas que mantienen ocupados a investigadores de las disciplinas relacionadas con la tierra sólida. El manuscrito inicial lo completé con estudios anteriores (por ejemplo, el del 125 anniversario de Science. o el informe de la NAS Origen y evolución de la Tierra [pdf] [html], o este otro informe de la NAS sobre procesos de superficie), y finalmente con más ideas que surgieron a través de Twitter, discusiones, y de esta entrada del blog anterior. La selección es por tanto arbitraria y las referencias no siempre son las más adecuadas. Las sugerencias serán muy bienvenidas. Si crees que tu campo es muy excitante pero está poco o mal representado, por favor, deja un comentario o contacta a través de Twitter con @danigeos]

La Tierra Primitiva y el Sistema Solar 

1. ¿Cómo se formó la Tierra y otros planetas del sistema solar? ¿Se formaron los planetas in situ o son frecuentes los cambios orbitales? ¿Qué ha determinado la distinta estratificación en capas de los planetas solares?   [Reciente artículo en Science sobre Mercurio]
2. ¿Colisionó la Tierra primitiva con otro planeta (Theia), dando origen a nuestro satélite? Sólo hay pruebas circunstanciales, tales como medidas de la duración de la rotación Terrestre y del mes lunar en el pasado, que apuntan a una Luna mucho más próxima a la Tierra durante las primeras etapas del Sistema Solar.
3. ¿Porqué la tectónica de placas domina el paisaje sólo en la Tierra? [artículo de divulgación] ¿Se formó la corteza de la Tierra durante las primeras etapas de su evolución o es el resultado de una destilación gradual del manto que compite en la actualidad con el reciclaje de la corteza en las zonas de subducción? ¿Crece la cantidad de corteza o consigue ese reciclaje compensar su formación en las dorsales centro-oceánicas y otras zonas volcánicas?
4. ¿Cuál ha sido el balance energético de la Tierra en escalas de tiempo geológicas? ¿Cómo descendió su temperatura interna desde que se formó por la acreción de condritas? ¿Cómo de abundantes son los elementos radiogénicos en su interior? ¿Pudo alguna vez un "sol débil y joven" calentar una Tierra "bola de nieve"?
5. ¿Cómo de inherente a la evolución planetaria es el desarrollo de condiciones para la vida? [Ref. 1] Sabemos ahora que los planetas similares a la Tierra son abundantes en nuestra galaxia (dos de cada tres estrellas pueden serlo [por ejemplo, Nature, 2012]), pero ¿cuántos de ellos desarrollan una química duradera basada en el agua?

Interior de la Tierra

1. Cuando los planetas se enfrían, sus procesos internos y los de la superficie coevolucionan, química y mecánicamente, configurando la composición de la atmósfera. ¿Cuál es la composición química y las propiedades mecánicas de las rocas en el manto de la Tierra a la presión y temperatura extremas que sufren? [ref.2]
2. ¿Cuáles son los procesos dinámicos y químicos en el interior de la Tierra que mantienen la tectónica de placas? La futura proliferación de sismómetros de una forma más uniforme sobre la superficie del planeta permitirá obtener imágenes sísmicas del interior mucho mejores, proporcionando una distribución detallada de velocidad de las ondas sísmicas. Al mismo tiempo, los laboratorios de física de minerales delimitarán mejor lo que estas velocidades de las ondas mecánicas nos dicen sobre la composición del manto a las altas profundidades y temperaturas en que se encuentran allí las rocas. Sólo entonces los modelos informáticos podrán poner a prueba los modelos geodinámicos propuestos y tratar de encajar cuantitativamente estos datos y otras observaciones geofísicas tales como variaciones de la gravedad. [ref.3]
3. ¿Cómo encaja el campo geomagnético con las propiedades convectivas del hierro en el interior terrestre? ¿Qué podemos aprender acerca del comportamiento mecánico de los materiales en esas profundidades a partir del campo geomagnético [contexto más? Nature] Los cambios geomagnéticos se registran en las rocas, por lo que proporcionan una vista de la Tierra en el pasado: ¿Son las inversiones magnéticas demasiado rápidas para estar relacionadas con la dinámica del núcleo? [Ejemplo.1] [Ej.2] [Ej.3] Podría su frecuencia estar relacionada con la distribución de las placas tectónicas? [GRL artículo]. ¿Qué causa los supercrones (largos períodos sin inversiones magnéticas)? Algo interno al núcleo, o inducido externamente por el manto o placas en subducción? ¿El campo geomagnético fue siempre dipolar, o fue más asimétrico en el pasado? [introduction]
4. ¿Los hotspots de intraplaca han sido creados por fuentes procedentes del manto inferior de la Tierra? ¿O pueden ser explicados por una convección más somera? [Por ejemplo, Morgan, 1971 , o este documento reciente sobre la geología de Yellowstone].
5. ¿Qué nos dice acerca de la dinámica de la Tierra la heterogeneidad de la densidad, composición y velocidad de las ondas sísmicas en el manto y en la litosfera? [ej.3]
6. ¿Que formó las grandes provincias ígneas y los basaltos masivos de inundación como los basaltos de la cuenca del río Columbia?

Movimiento de las placas tectónicas y la deformación

1. ¿Cómo se transforma el movimiento del manto terrestre en motor de la tectónica de placas? [Por ejemplo, Negredo et al., GRL, 2004, frente a van Benthem y Govers, JGR, 2010]. ¿A qué profundidades tiene lugar esa transferencia de momento? ¿La colisión continental frena la subducción de la placa, como sugiere el paradigma del slab-pull? [Walter Alvarez, EPSL, 2010]
2. ¿Encaja la deformación de largo plazo (deducida del paleomagnetismo y de la geología estructural) con los movimientos actuales derivados a partir de GPS y de la deformación neotectónica en la corteza? [Calais et al., EPSL, 2003] ¿Cómo se relacionan estas observaciones y qué podemos aprender sobre la estructura de la litosfera combinándolas? [ref] ¿Cómo y cuándo se propaga la deformación tectónica hacia el interior de las placas? [Por ejemplo, Cloetingh et al., 2005, QSR ]  
3. ¿El movimiento de las placas está en estado estacionario? ¿Cómo de rígidas son éstas? ¿por qué y cuándo se deforman? [Davis et al, (2005) doi:. 10.1038/nature04781 y Wernicke & Davis, (2010) doi: 10.1785/gssrl.81.5.694]
4. ¿Cómo se acomoda el movimiento relativo entre continentes a lo largo de los límites difusos de placa? (por ejemplo, el límite entre Iberia y África). ¿Qué determina la (a)sismicidad de un contacto de placas?
5. Cómo y cuándo se propaga la deformación de los bordes de los continentes hacia el interior de los mismos? [e.g., Cloetingh et al., 2005, QSR] 
6. Cómo está estratificada la resistencia mecánica de la litosfera: ¿como un jelly sandwich? (con la corteza inferior débil rodeada por corteza superior y manto resistentes) ¿O más bien como una créme brulée? (con una corteza resistente reposando sore el manto dúctil) [Burov & Watts, 2006]. ¿Se concentran los esfuerzos en el manto superior? ¿O justo al contrario? [Por ejemplo, McKenzie et al, 2000;. Jackson, 2002; Handy & Brun, 2004, y un bonito post reciente].
7. ¿Puede el clima influir en la deformación tectónica? ¿Hay alguna evidencia de campo que confirme la hipótesis de que la erosión y el clima pueden cambiar los patrones de deformación tectónica (como predicen los modelos informáticos)? [Willett, 1999; Whipple, 2009 ; García-Castellanos, EPSL, 2007]
8. ¿Pueden predecirse los terremotos? [Ej.4 , ej.5]. La evaluación de riesgo sísmico se basa sobretodo en pronósticos basados a su vez en estadísticas de terremotos en el pasado. Poco se sabe acerca de cómo se forman las fallas y cuándo se reactivan [ej.6], y lo que es peor, no parece haber ningún camino claro para resolver este problema en un futuro próximo. Habrá que esperar a algún descubrimiento inesperado.
9. ¿Pueden predecirse las erupciones volcánicas? ¿Qué determina las tasas de acumulación de magma en las cámaras magmáticas y qué mecanismos desencadenan la erupción? Este es otro campo que parece casi tan necesitado de avances fundamentales como el anterior. [ej.7]
10. A menudo las predicciones de los modelos de isostasia no se ajustan perfectamente a la elevación observada. A la diferencia entre ambos conceptos se le llama topografía dinámica, pero se sabe muy poco sobre su origen. ¿Podemos aprender sobre la convección en el manto a partir de su estudio?

La historia de la superficie terrestre y el medio ambiente actual

Mediterráneo desecado (Autor: Roger Pibernat)

1. Es comúnmente aceptado que el relieve terrestre es el resultado de una compleja interacción entre la deformación tectónica, el clima, y una serie de procesos mecánicos, químicos y biológicos que actúan sobre la superficie de la tierra sólida. La masiva disponibilidad de  modelos topográficos con resoluciones de unos pocos metros ha servido de base y de desafío para una mejor comprensión de la evolución del relieve. Pero, ¿podemos utilizar la topografía para deducir los movimientos tectónicos del terreno?, ¿y para derivar las condiciones climáticas pasadas? ¿Sabemos lo suficiente acerca de los procesos de erosión? ¿es la estocasticidad de los eventos meteorológicos y tectónicos relevante en el paisaje terrestre? ¿Y cuánto ha contribuido la vida a dar forma a la superficie de la Tierra?
2. ¿Se pueden predecir o cuantificar conceptos geomorfológicos clásicos como la peniplanación (enrasamiento progresivo del relieve por la erosión)? Algunas cadenas montañosas como los Apalaches o los Urales retienen su relieve durante periodos de 10^8 años, y numerosos valles fluviales se han conservado bajo kilómetros de hielo antártico en movimiento durante millones de años. ¿Qué determina que el relieve persista durante perodos de tiempo tan largos?  
3. ¿Podemos predecir cuantitativamente la producción y el transporte de sedimentos para evaluar riesgos o para fines científicos? ¿Qué leyes rigen la erosión y el transporte que gobiernan la evolución de la superficie de la Tierra? [NAS SP informe de 2010] ¿Es posible relacionar cuantitativamente los nuevos registros climáticos y tectónicos con el segistro sedimentario? ¿Es posible separar las señales de ambos procesos?   [Por ejemplo, Nature Geosc ].  
4. ¿Hasta qué punto quedan grabadas las perturbaciones del clima y la tectónica en el registro estratigráfico? Jerolmack y Paola [2010, GRL] sostienen que la dinámica del transporte de sedimentos puede ser suficientemente "ruidoso" como para borrar cualquier señal de una fuerza externa.
5. ¿Qué causó y cómo evolucionó el enorme depósito de sal en el Mediterráneo durante la Crisis de Salinidad Mesiniense? ¿Llegó adesecarse el Mediterráneo? ¿Cuáles fueron los efectos sobre el clima y la biología, y qué podemos aprender de los eventos extremos como estos? [Por ejemplo, Hsu, 1983; Clauzon et al, Geología, 1996; Krijgsman et al, 1996; García-Castellanos, 2011 ]
6. ¿Podemos reconstruir cuantitativamente la ecología y el clima pasados en base a los  patrones fluviales? [Por ejemplo, Hartley et al., 2010, J.Sedim.Res.]

El clima, la Vida y la Tierra Sólida

El registro geológico muestra que el clima es relativamente estable en las escalas de tiempo de la tectónica de placas mientras que sufre cambios cíclicos ligados a cambios orbitales, en escalas de entre 20.000 y un millón de años. En períodos más cortos, de entre décadas y milenios, estos cambios son también muy significativos, pero peor comprendidos. El estudio del pasado terrestre, de épocas en las que el planeta estuvo sometido a condiciones climáticas extremas, puede ayudar a entender los mecanismos responsables. 

1. ¿Qué causó el mayor cambio isotópico del carbono en la Tierra? [Nat.Geo revisión]  
2. ¿Fue la Tierra una enorme "bola de nieve" durante las primeras etapas de la vida?
3. ¿Hubo también ríos y lagos en Marte? ¿Hubo grandes inundaciones explosivas similares a las de la Tierra?
4. ¿Cuáles fueron las causas de las extinciones en masa como la del límite KT, el Pérmico-Triásico o el Triásico Tardío? ¿qué controló la recuperación?  [Artículos recientes: ej.8 , ej.9, ej.10 ]
5. ¿Qué desencadenó la extrema variabilidad climática del Cuaternario y la aceleración más o menos coetánea del ritmo de erosión continental y de sedimentación en los márgenes de los continentes? [Peizhen, Molnar et al., 2001] ¿Alguna relación con el cierre tectónico del Estrecho de América Central? ¿Cómo se traducen cuantitativamente estos cambios del clima en cambios del nivel del mar?
6. ¿Qué causó las grandes extinciones del Cuaternario? ¿La expansión humana? ¿El cambio climático? ¿Fue la extinción de gran fauna hace unos 13.000 años un resultado del evento climático conocido como Younger Dryas? ¿Fue causado por un impacto meteorítico? [ ej.11 , ej.12 ] ¿O podría estar relacionada con el desagüe repentino del lago Agassiz ?
7. ¿Qué relevancia tienen los microorganismos del subsuelo en la dinámica de la tierra por su control de la formación del suelo y del ciclo del metano (clima)?
8. La composición de la atmósfera está ligada a la presencia de vida, una fuerza química de gran alcance [Artículo reciente]. La evolución de la Tierra ha afectado claramente la evolución de la vida (ver la explosión cámbrica de vida animal, por ejemplo; un reciente documento). ¿En qué medida la evolución está determinada por la geología? ¿Es posible cuantificar estos enlaces para hacer predicciones confiables que permitan llenar los vacíos de información o la evaluación de las posibilidades de vida extraterrestre?
9. ¿Qué parte del cambio climático actual es antropogénico? ¿Cómo van impactar en el clima las crecientes emisiones de una población mundial cada vez mayor? Una buena parte de la respuesta parece estar en el pasado remoto del planeta. 

Cuestiones abiertas más generales

1. Muchas de las preguntas anteriores están relacionadas con la enorme variabilidad de escalas espaciales y temporales de los procesos terrestres. La observación directa (mediante muestreo de roca o mediante teledetección remota) se limita a una capa delgada alrededor de la superficie sólida de la Tierra, y la experimentación física se limita a las presiones de las capas más superficiales del planeta. Muchos procesos, incluyendo la tectónica de placas dependen de la naturaleza de los materiales que componen la roca, hasta las más pequeñas escalas atómicas. Las respuestas pueden llegar a través de nuevos dispositivos y herramientas analíticas que trabajan a muy altas presiones y temperaturas como las del interior de la Tierra.
2. La diversidad de escalas de tiempo involucradas en la evolución terrestre también plantean un problema a conocer las propiedades mecánicas y químicas de los materiales. En parte porque se trata de escalas de tiempo que varían en muchos órdenes de magnitud, mientras que nuestras observaciones están limitadas al presente. Pero también debido a que la comparación de los experimentos de laboratorio (por ejemplo, la física de minerales) o modelos analógicos (por ejemplo, los experimentos en sandbox)  con la geología no siempre es convincente.
3. Implementación de la episodicidad en el gradualismo: Por razones históricas, la geología en general ha subestimado el papel de la episodicidad en la naturaleza. Sin embargo, los acontecimientos puntuales o excepcionales tienen un peso relevante en muchos subsistemas terrestres. Un ejempo sería el efecto de las grandes inundaciones en la evolución del paisaje. Ya he mencionado la importancia de la variabilidad del clima. También la tectónica de placas pudo haber sido episódica ya durante el Arcaico [ref] y como bien sabemos la deformación tectónica en escalas de tiempo humanas se produce en forma de terremotos, de forma impredecible y episódica. El entendimiento futuro de la Tierra se beneficiará de la incorporación de todo el espectro de frecuencias (la episodicidad) a los modelos de fenómenos naturales, en lugar de aproximarnos sistemáticamente a estos procesos como si se trataran de fenómenos graduales.

Referencias generales:
Zwaan, J. (2010). Origin and evolution of earth: Research questions for a changing planet by the committee on grand research questions in the solid-earth sciences, National Research Council. National Academies Press, Washington, D.C., 2008. No. of pages: 137. (paperback). Geological Journal, 45 (2-3), 350-350 DOI: 10.1002/gj.1188

See the Lithosphere moving up and down

The lithosphere, the uppermost resistent layer of the Earth, rests on the fluid mantle underneath and moves up (or down) in response to weight removed from its surface (or placed on it), such as ice capes, large lakes, mountain ranges, volcanos...  

Isostatic sinking (subsidence) and
rebound (uplift) occurring when an
ice sheet forms by climate cooling
and when it is removed by climate warming.
The downwarping (isostatic subsidence)
produced by the ice accumulation in a) is
fully recovered in this process (b and c). 

My first steps into geoscience dealt with this concept called isostasy, which looked somewhat simple to a recent graduate in Physics as I was back then, since it simply applies the Archimedes Principle to the Earth's lithosphere. But this idea was just emerging in the late 19th century. And still, G.K. Gilbert was there to get it and to apply it to one of its most conspicuous scenarios: Lake Bonneville. 

Lake Bonneville was an enormous closed lake (meaning it had no outlet) encompassing the western half of Utah during the Pleistocene. The Great Salt Lake is a small remnant. It would be among the few largest, deepest, and highest lakes today. When its level raised to 1500 m above sea level at the end of the last glaciation, 15,000 years ago, its waters found an exit through the Red Rock pass and the lake was suddenly drained. It produced one of the largest floods ever recorded: the Bonneville Flood (see this previous post). But there was another consequence to the flood: When the lake water was released, the lithosphere under the lake moved upwards to readjust its isostatic equilibrium with the viscous mantle that underlies the Earth's crust. 

Now, do you believe this story?

La otra gran crisis Mediterránea (la del Messiniense)

Si hoy se construyera una barrera en el estrecho de Gibraltar, el Mediterráneo descendería de nivel casi un metro cada año, debido a que recibe menos agua de los ríos y la lluvia que la que evapora en su superficie. Por inverosímil que parezca, un arquitecto alemán estuvo cerca de poner en práctica esta idea en 1929: Herman Sörgel planeó la construcción de un inmenso dique en Gibraltar con el dudoso objetivo filantrópico de unir Europa y África secando el Mar Mediterráneo: se trata del Proyecto Atlántropa.

Large Pleistocene Floods along the Columbia River

I spent the last weeks travelling through Idaho, Montana, Washington, and Oregon, tracking evidence for the floods that shaped the landscape of the US Pacific Northwest. For most of it I was privileged to be guided by Jim O'Connor (USGS, Portland), world-class specialist in these events (sample references below). The pictures of this geological trip show erosional and depositional features produced by outburst floods during the Pleistocene, including the Missoula ice-dam collapse and the Bonneville flood. 

Snake River gorge cutting the
Flood Basalt layers, through which
the Bonneville flood discharged

Detail of the boulder field. Note preferent tilt 
of boulders towards the left, in agreement with
flow direction. More pics here and here. 

Rounded boulders left by the high waters of the
Bonneville flood among a Neogene basalt ridge
spillway. Flood flow in the direction of the picture. 
More pics here.

One thing that makes this scenario key to understand the importance of large flooding events in shaping landscape is the ubiquitous Columbia River Basalt formation (one of the largest flood basalt regions) and the Yellostone-Snake River volcanic zone. Both covered many of the areas we visited with a nearly flat layer of very fluid basalt, during the Neogene, long before the Pleistocene floods (see e.g. Fouch, Geology, 2011). The simple relief and lithological setting left by the flood basalts enhances the erosional features related to the Pleistocene water floods and the presence of vertical tectonic motions.