El conocimiento actual es que la composición química del manto de la Tierra es relativamente homogénea. Pero los experimentos llevados a cabo por investigadores de ETH ahora muestran que esta visión es demasiado simplista. Sus resultados resuelven un problema clave al que se enfrentan las geociencias y plantean algunas preguntas nuevas.
Hay lugares que siempre estarán fuera de nuestro alcance. El interior de la Tierra es uno de ellos. Pero tenemos formas de obtener una comprensión de este mundo inexplorado. Las ondas sísmicas, por ejemplo, nos permiten imponer limitaciones importantes sobre la estructura de nuestro planeta y las propiedades físicas de los materiales ocultos en su interior. Luego están las rocas volcánicas que emergen en algunos lugares de la superficie de la Tierra desde lo más profundo y proporcionan pistas importantes sobre la composición química del manto. Y finalmente hay experimentos de laboratorio que pueden simular las condiciones del interior de la Tierra a pequeña escala.
Una nueva publicación de Motohiko Murakami, profesor de física mineral experimental, y su equipo apareció recientemente en la revista. PNAS y muestra cuán esclarecedores pueden ser tales experimentos. Los hallazgos de los investigadores sugieren que la comprensión de muchos geocientíficos del interior de la Tierra puede ser demasiado simplista.
Los investigadores de ETH utilizan una compleja matriz de pruebas para examinar el comportamiento de las rocas en las profundidades del interior de la Tierra. La muestra está en el bloque en el centro de la fotografía. Crédito: M. Murakami, ETH Zurich
Cambio dramático
Debajo de la corteza terrestre, que tiene solo unos pocos kilómetros de espesor, se encuentra su manto. También de roca, rodea el núcleo del planeta, que comienza a unos 2.900 kilómetros por debajo de nosotros. Gracias a las señales sísmicas, sabemos que se produce un cambio dramático en el manto a una profundidad de alrededor de 660 kilómetros: aquí es donde el manto superior se encuentra con el manto inferior y las propiedades mecánicas de la roca comienzan a diferir, por lo que la velocidad de propagación de ondas sísmicas cambia drásticamente en esta frontera.
Lo que no está claro es si esto es simplemente un borde físico o si la composición química de la roca también cambia en este punto. Muchos geocientíficos suponen que el manto de la Tierra en su conjunto está compuesto de forma relativamente consistente por roca rica en magnesio, que a su vez tiene una composición similar a la de la roca de peridotita que se encuentra en la superficie de la Tierra. Estos enviados del manto superior, que llegan a la superficie de la Tierra a través de eventos como erupciones volcánicas, exhiben una relación magnesio-silicio de ~ 1.3.
“La presunción de que la composición del manto de la Tierra es más o menos homogénea se basa en una hipótesis relativamente simple”, explica Murakami. “Es decir, que las poderosas corrientes de convección dentro del manto, que también impulsan el movimiento de las placas tectónicas en la superficie de la Tierra, lo mezclan constantemente. Pero es posible que esta visión sea demasiado simplista “.
¿Dónde está el silicio?
Realmente hay un defecto fundamental en esta hipótesis. En general, se acepta que la Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años a través de la acumulación de meteoritos que emergieron de la nebulosa solar primordial y, como tal, tiene la misma composición general de esos meteoritos. La diferenciación de la Tierra en núcleo, manto y corteza ocurrió como parte de un segundo paso.
Dejando de lado el hierro y el níquel, que ahora forman parte del núcleo del planeta, se hace evidente que el manto debería contener más silicio que la roca de peridotita. Según estos cálculos, el manto debería tener una relación magnesio-silicio más cercana a ~ 1 en lugar de ~ 1.3.
Esto lleva a los geocientíficos a plantearse la siguiente pregunta: ¿dónde está el silicio que falta? Y hay una respuesta obvia: el manto de la Tierra contiene muy poco silicio porque está en el núcleo de la Tierra. Pero Murakami llega a una conclusión diferente, a saber, que el silicio está en el manto inferior. Esto significaría que la composición del manto inferior es diferente a la del manto superior.
Los dos diamantes que comprimen la muestra se encuentran en el centro de este carrito de muestras. Apretar los tornillos genera una presión similar a la que se encuentra dentro del manto inferior. Crédito: M. Murakami, ETH Zurich
Hipótesis sinuosa
La hipótesis de Murakami da algunos giros y vueltas: primero, ya sabemos con precisión qué tan rápido viajan las ondas sísmicas a través del manto. En segundo lugar, los experimentos de laboratorio muestran que el manto inferior está compuesto principalmente por el mineral silíceo bridgmanita y el mineral ferropericlasa rico en magnesio. En tercer lugar, sabemos que la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas depende de la elasticidad de los minerales que forman la roca. Entonces, si se conocen las propiedades elásticas de los dos minerales, es posible calcular las proporciones de cada mineral requeridas para correlacionar con la velocidad observada de las ondas sísmicas. Entonces es posible derivar cuál debe ser la composición química del manto inferior.
Si bien se conocen las propiedades elásticas de la ferropericlasa, las de la bridgmanita aún no lo son. Esto se debe a que la elasticidad de este mineral depende en gran medida de su composición química; más específicamente, varía según la cantidad de hierro que contenga la bridgmanita.
Durante el experimento, las muestras de roca se sujetan entre dos puntas de diamante. Las puntas de los diamantes miden aprox. 0,1 mm. Crédito: M. Murakami, ETH Zurich
Mediciones que requieren mucho tiempo
En su laboratorio, Murakami y su equipo han realizado pruebas de alta presión con este mineral y han experimentado con diferentes composiciones. Los investigadores comenzaron sujetando una pequeña muestra entre dos puntas de diamante y usando un dispositivo especial para presionarlas juntas. Esto sometió al espécimen a una presión extremadamente alta, similar a la que se encuentra en el manto inferior.
Silicio descubierto
Luego, Murakami utilizó los valores de medición para modelar la composición que mejor se correlaciona con la dispersión de las ondas sísmicas. Los resultados confirman su teoría de que la composición del manto inferior es diferente a la del manto superior. “Estimamos que la bridgmanita constituye del 88 al 93 por ciento del manto inferior”, dice Murakami, “lo que le da a esta región una relación magnesio-silicio de aproximadamente 1,1”. La hipótesis de Murakami resuelve el misterio del silicio perdido.
Pero sus hallazgos plantean nuevas preguntas. Sabemos, por ejemplo, que dentro de ciertas zonas de subducción, la corteza terrestre se hunde profundamente en el manto, a veces incluso hasta el borde del núcleo. Esto significa que los mantos superior e inferior en realidad no son entidades separadas herméticamente. Queda por ver cómo interactúan las dos áreas y exactamente cómo funciona la dinámica del interior de la Tierra para producir regiones del manto químicamente diferentes.
Referencia: “Evidencia experimental del manto inferior de la Tierra enriquecida con sílice con bridgmanita dominante de hierro ferroso” por Izumi Mashino, Motohiko Murakami, Nobuyoshi Miyajima y Sylvain Petitgirard, 22 de octubre de 2020, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.1917096117
