La zona de transición se encuentra entre el manto superior (upper mantle) y el manto inferior (lower mantle), a 660 kilómetros de profundidad. Fuente: Universidad del Noroeste.
Investigadores de la Universidad del Noroeste (Illinois) y la Universidad de Nuevo México, ambas de EE.UU., han publicado pruebas de la posibilidad de que haya océanos de agua muy por debajo de los Estados Unidos. Aunque no en la forma líquida acostumbrada -los ingredientes del agua están ligados a la roca de la profundidad del manto terrestre -el descubrimiento puede representar la mayor reserva de agua del planeta.
La presencia de agua líquida en la superficie es lo que hace habitable a nuestro "planeta azul", y los científicos han tratado durante mucho tiempo de averiguar qué cantidad de agua puede circular entre la superficie de la Tierra y los embalses del interior a través de la tectónica de placas.
El geofísico Steve Jacobsen, de la Universidad del Noroeste, y el sismólogo Brandon Schmandt, de la de Nuevo México, han encontrado bolsas llenas de magma situadas a unos 650 kilómetros por debajo de América del Norte, una huella probable de la presencia de agua en estas profundidades. El descubrimiento sugiere que el agua de la superficie de la Tierra puede ser impulsada a tan grandes profundidades por la tectónica de placas, causando finalmente la fusión parcial de las rocas que se encuentran en las profundidades del manto.
Los resultados, que se publicaron el viernes en la revista Science, ayudarán a los científicos a comprender cómo se formó la Tierra, cuál es su actual composición y su funcionamiento interno son y qué cantidad de agua está atrapada en la roca del manto.
Procesos geológicos
"Los procesos geológicos de la superficie de la Tierra, tales como terremotos o erupciones volcánicas, son una expresión de lo que está sucediendo dentro de la misma, lejos de nuestra vista", explica Jacobsen, un co-autor del artículo, en la nota de prensa de la Universidad del Noroeste. "Creo que finalmente estamos viendo evidencias de un ciclo del agua que abarca todo el planeta, lo que puede ayudar a explicar la gran cantidad de agua líquida que hay en la superficie de nuestro planeta habitable. Los científicos han estado buscando esta agua profunda perdida desde hace décadas".
Los científicos han especulado durante mucho tiempo que esta agua está atrapada en una capa rocosa del manto de la Tierra situada entre el manto inferior y el manto superior, a profundidades de entre 400 millas y 660 kilómetros. Jacobsen y Schmandt son los primeros en suministrar pruebas directas de que puede haber agua en esta zona de la capa, conocida como la "zona de transición", a escala regional. La región se extiende a través de la mayor parte del interior de los Estados Unidos.
Schmandt, profesor asistente de geofísica en la Universidad de Nuevo México, utiliza ondas sísmicas de los terremotos para investigar la estructura de la corteza y el manto profundo. Jacobsen, profesor asociado de ciencias terrestres y planetarias en la Facultad Weinberg de Artes y Ciencias de Northwestern, utiliza observaciones en el laboratorio para hacer predicciones acerca de los procesos geofísicos que ocurren más allá de nuestra observación directa.
Datos combinados
El estudio combinó los experimentos de laboratorio de Jacobsen en los que estudia la roca del manto simulando las altas presiones de 400 kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra con las observaciones de Schmandt, que utiliza grandes cantidades de datos sísmicos de la USArray, una densa red de más de 2.000 sismógrafos en todo Estados Unidos.
Los hallazgos de ambos convergieron para producir evidencias de que la fusión de las rocas puede producirse a unos 650 kilómetros de profundidad. El H2O almacenado en las rocas del manto, como los que contienen el mineral ringwoodita, es seguramente la clave del proceso, según los investigadores.
"La fusión de la roca a esta profundidad es significativa porque normalmente la fusión en el manto se produce a un nivel mucho más superficial, en los 80 kilómetros más altos", explica Schmandt. "Si hay una cantidad sustancial de H2O en la zona de transición, entonces parte de la fusión debería de producirse en áreas donde hay un flujo hacia el manto inferior, y esos es coherente con lo que hemos encontrado."
Con que sólo un uno por ciento del peso de la roca del manto situado en la zona de transición es H2O, ya sería equivalente a casi tres veces la cantidad de agua en los océanos, según los investigadores.
Esta agua no está en una forma familiar para nosotros: no es líquido, hielo o vapor. Esta cuarta forma es agua atrapada dentro de la estructura molecular de los minerales en la roca del manto. El peso de 400 kilómetros de roca sólida crea una presión tan alta, junto con temperaturas superiores a 1.000 grados Celsius, que las moléculas de agua se dividen para formar radicales hidroxilos (OH), que pueden unirse a la estructura de cristal de un mineral.
Los hallazgos de Schmandt y Jacobsen se basan en un descubrimiento publicado en marzo en la revista Nature, en el que los científicos descubrieron un trozo de ringwoodita dentro de un diamante extraído desde una profundidad de 650 kilómetros por un volcán en Brasil. Ese pequeño pedazo de ringwoodita -la única muestra que existe del interior de la Tierra- contenía una sorprendente cantidad de agua unida en forma sólida al mineral.
"Sea o no esta extraordinaria muestra representativa de la composición interior de la Tierra, no lo sabemos, sin embargo", reconoce Jacobsen. "Ahora hemos encontrado pruebas de que hay un proceso de fusión que se extiende por debajo de América del Norte a las mismas profundidades en las que se deshidrata la ringwoodite, que es exactamente lo que ha pasado en mis experimentos."
Durante años, Jacobsen ha sintetizando ringwoodita, de un color azul como el zafiro, en su laboratorio de la Northwestern, haciendo reaccionar el mineral verde olivino con agua en condiciones de alta presión. (El manto superior de la Tierra es rico en olivino.) Encontró que más de un uno por ciento del peso de la estructura cristalina de la ringwoodita puede estar hecho de agua, aproximadamente la misma cantidad de agua que había sido hallada en la muestra de la que informó el artículo de Nature.
"La ringwoodita es como una esponja absorbiendo agua", explica Jacobsen. "Hay algo muy especial en la estructura cristalina de este mineral que le permite atraer hidrógeno y atrapar el trampa. Este mineral puede contener una gran cantidad de agua en las condiciones del manto profundo".
La presencia de agua líquida en la superficie es lo que hace habitable a nuestro "planeta azul", y los científicos han tratado durante mucho tiempo de averiguar qué cantidad de agua puede circular entre la superficie de la Tierra y los embalses del interior a través de la tectónica de placas.
El geofísico Steve Jacobsen, de la Universidad del Noroeste, y el sismólogo Brandon Schmandt, de la de Nuevo México, han encontrado bolsas llenas de magma situadas a unos 650 kilómetros por debajo de América del Norte, una huella probable de la presencia de agua en estas profundidades. El descubrimiento sugiere que el agua de la superficie de la Tierra puede ser impulsada a tan grandes profundidades por la tectónica de placas, causando finalmente la fusión parcial de las rocas que se encuentran en las profundidades del manto.
Los resultados, que se publicaron el viernes en la revista Science, ayudarán a los científicos a comprender cómo se formó la Tierra, cuál es su actual composición y su funcionamiento interno son y qué cantidad de agua está atrapada en la roca del manto.
Procesos geológicos
"Los procesos geológicos de la superficie de la Tierra, tales como terremotos o erupciones volcánicas, son una expresión de lo que está sucediendo dentro de la misma, lejos de nuestra vista", explica Jacobsen, un co-autor del artículo, en la nota de prensa de la Universidad del Noroeste. "Creo que finalmente estamos viendo evidencias de un ciclo del agua que abarca todo el planeta, lo que puede ayudar a explicar la gran cantidad de agua líquida que hay en la superficie de nuestro planeta habitable. Los científicos han estado buscando esta agua profunda perdida desde hace décadas".
Los científicos han especulado durante mucho tiempo que esta agua está atrapada en una capa rocosa del manto de la Tierra situada entre el manto inferior y el manto superior, a profundidades de entre 400 millas y 660 kilómetros. Jacobsen y Schmandt son los primeros en suministrar pruebas directas de que puede haber agua en esta zona de la capa, conocida como la "zona de transición", a escala regional. La región se extiende a través de la mayor parte del interior de los Estados Unidos.
Schmandt, profesor asistente de geofísica en la Universidad de Nuevo México, utiliza ondas sísmicas de los terremotos para investigar la estructura de la corteza y el manto profundo. Jacobsen, profesor asociado de ciencias terrestres y planetarias en la Facultad Weinberg de Artes y Ciencias de Northwestern, utiliza observaciones en el laboratorio para hacer predicciones acerca de los procesos geofísicos que ocurren más allá de nuestra observación directa.
Datos combinados
El estudio combinó los experimentos de laboratorio de Jacobsen en los que estudia la roca del manto simulando las altas presiones de 400 kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra con las observaciones de Schmandt, que utiliza grandes cantidades de datos sísmicos de la USArray, una densa red de más de 2.000 sismógrafos en todo Estados Unidos.
Los hallazgos de ambos convergieron para producir evidencias de que la fusión de las rocas puede producirse a unos 650 kilómetros de profundidad. El H2O almacenado en las rocas del manto, como los que contienen el mineral ringwoodita, es seguramente la clave del proceso, según los investigadores.
"La fusión de la roca a esta profundidad es significativa porque normalmente la fusión en el manto se produce a un nivel mucho más superficial, en los 80 kilómetros más altos", explica Schmandt. "Si hay una cantidad sustancial de H2O en la zona de transición, entonces parte de la fusión debería de producirse en áreas donde hay un flujo hacia el manto inferior, y esos es coherente con lo que hemos encontrado."
Con que sólo un uno por ciento del peso de la roca del manto situado en la zona de transición es H2O, ya sería equivalente a casi tres veces la cantidad de agua en los océanos, según los investigadores.
Esta agua no está en una forma familiar para nosotros: no es líquido, hielo o vapor. Esta cuarta forma es agua atrapada dentro de la estructura molecular de los minerales en la roca del manto. El peso de 400 kilómetros de roca sólida crea una presión tan alta, junto con temperaturas superiores a 1.000 grados Celsius, que las moléculas de agua se dividen para formar radicales hidroxilos (OH), que pueden unirse a la estructura de cristal de un mineral.
Los hallazgos de Schmandt y Jacobsen se basan en un descubrimiento publicado en marzo en la revista Nature, en el que los científicos descubrieron un trozo de ringwoodita dentro de un diamante extraído desde una profundidad de 650 kilómetros por un volcán en Brasil. Ese pequeño pedazo de ringwoodita -la única muestra que existe del interior de la Tierra- contenía una sorprendente cantidad de agua unida en forma sólida al mineral.
"Sea o no esta extraordinaria muestra representativa de la composición interior de la Tierra, no lo sabemos, sin embargo", reconoce Jacobsen. "Ahora hemos encontrado pruebas de que hay un proceso de fusión que se extiende por debajo de América del Norte a las mismas profundidades en las que se deshidrata la ringwoodite, que es exactamente lo que ha pasado en mis experimentos."
Durante años, Jacobsen ha sintetizando ringwoodita, de un color azul como el zafiro, en su laboratorio de la Northwestern, haciendo reaccionar el mineral verde olivino con agua en condiciones de alta presión. (El manto superior de la Tierra es rico en olivino.) Encontró que más de un uno por ciento del peso de la estructura cristalina de la ringwoodita puede estar hecho de agua, aproximadamente la misma cantidad de agua que había sido hallada en la muestra de la que informó el artículo de Nature.
"La ringwoodita es como una esponja absorbiendo agua", explica Jacobsen. "Hay algo muy especial en la estructura cristalina de este mineral que le permite atraer hidrógeno y atrapar el trampa. Este mineral puede contener una gran cantidad de agua en las condiciones del manto profundo".
Imagen: Tiago Fioreze. Fuente: Wikipedia.
Experimentos
Para el estudio publicado en Science, Jacobsen ha sometido a su ringwoodita sintetizada a las condiciones de alrededor de 650 kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra y ha encontrado que se producen pequeñas fusiones en ella.
Jacobsen utiliza pequeñas gemas de diamantes como yunques para comprimir los minerales a las condiciones de profundidad a la Tierra. "Utilizamos haces intensos de rayos X, electrones y luz infrarroja para estudiar las reacciones químicas que tienen lugar en la célula de diamantes."
La fusión que los investigadores han detectado se denomina fusión por deshidratación. Las rocas de la zona de transición pueden contener una gran cantidad de H2O, pero las rocas en la parte superior del manto inferior pueden no contener casi nada. El agua contenida dentro de la ringwoodita de la zona de transición se ve forzada a salir cuando ésta entra en una zona más profunda (en el manto inferior) y forma un mineral de mayor presión llamado perovskita de silicato, que no puede absorber el agua. Esto hace que la roca en el límite entre la zona de transición y el manto inferior se funda parcialmente.
"Cuando una roca con una gran cantidad de H2O se mueve de la zona de transición hacia el manto inferior necesita deshacerse del H2O de alguna manera, por lo que se derrite un poco", señala Schmandt. "Esto se llama fusión por deshidratación."
"Una vez que se libera el agua, gran parte de ella puede llegar a quedarse atrapada allí, en la zona de transición", explica Jacobsen. Los sismómetros permiten detectar esta masa fundida porque el material fundido ralentiza las ondas sísmicas, añade Schmandt.
Para el estudio publicado en Science, Jacobsen ha sometido a su ringwoodita sintetizada a las condiciones de alrededor de 650 kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra y ha encontrado que se producen pequeñas fusiones en ella.
Jacobsen utiliza pequeñas gemas de diamantes como yunques para comprimir los minerales a las condiciones de profundidad a la Tierra. "Utilizamos haces intensos de rayos X, electrones y luz infrarroja para estudiar las reacciones químicas que tienen lugar en la célula de diamantes."
La fusión que los investigadores han detectado se denomina fusión por deshidratación. Las rocas de la zona de transición pueden contener una gran cantidad de H2O, pero las rocas en la parte superior del manto inferior pueden no contener casi nada. El agua contenida dentro de la ringwoodita de la zona de transición se ve forzada a salir cuando ésta entra en una zona más profunda (en el manto inferior) y forma un mineral de mayor presión llamado perovskita de silicato, que no puede absorber el agua. Esto hace que la roca en el límite entre la zona de transición y el manto inferior se funda parcialmente.
"Cuando una roca con una gran cantidad de H2O se mueve de la zona de transición hacia el manto inferior necesita deshacerse del H2O de alguna manera, por lo que se derrite un poco", señala Schmandt. "Esto se llama fusión por deshidratación."
"Una vez que se libera el agua, gran parte de ella puede llegar a quedarse atrapada allí, en la zona de transición", explica Jacobsen. Los sismómetros permiten detectar esta masa fundida porque el material fundido ralentiza las ondas sísmicas, añade Schmandt.
Referencia bibliográfica:
B. Schmandt, S. D. Jacobsen, T. W. Becker, Z. Liu, K. G. Dueker. Dehydration melting at the top of the lower mantle. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1253358
B. Schmandt, S. D. Jacobsen, T. W. Becker, Z. Liu, K. G. Dueker. Dehydration melting at the top of the lower mantle. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1253358