Investigadores de la Universidad de Northwestern y la Universidad de Nuevo México reportan evidencias de potenciales océanos repletos de agua muy por debajo de los Estados Unidos. Aunque no en la conocida forma líquida —porque los componentes donde está el agua están ligados a las rocas profundas del manto de la Tierra— 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 estado mucho tiempo tratando 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 Nortwestern y el sismólogo Brandon Schmandt de la Universidad de New Mexico han encontrado bolsillos llenos de magma situados a unos 400 kilómetros por debajo de América del Norte, una probable señal de la presencia de agua en esas profundidades. El descubrimiento indica que el agua de la superficie de la Tierra puede ser impulsada a esas grandes profundidades por las placas tectónicas, causando finalmente la fusión parcial de las rocas que se encuentran profundamente en el manto.
Los resultados, que se publicarán 13 de junio en la revista Science, ayudarán a los científicos a comprender cómo se formó la Tierra, cuál es su actual composición y cómo es su funcionamiento interno, y la cantidad de agua atrapada en la roca del manto.
«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 Tierra, fuera de nuestra vista», dijo Jacobsen, uno de los co-autores del artículo. «Creo que finalmente estamos viendo evidencia de un ciclo del agua que involucra a todo el planeta, lo que puede ayudar a explicar la gran cantidad de agua líquida en la superficie de nuestro planeta habitable. Los científicos han estado buscando esta agua profunda faltante a lo largo de décadas.»
Los científicos han especulado durante mucho tiempo que el agua queda atrapada en una capa rocosa del manto de la Tierra situada entre el manto inferior y el manto superior, a profundidades de entre 400 y 650 kilómetros. Jacobsen y Schmandt son los primeros en proveer evidencia directa de que puede haber agua en esta zona de la capa, conocida como la «zona de transición», en una 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, utilizó las 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, utilizó observaciones en el laboratorio para hacer predicciones acerca de los procesos geofísicos que ocurren más allá de nuestra observación directa.
El estudio combinó los experimentos de laboratorio de Jacobsen, en los que estudia las rocas del manto bajo las altas presiones simuladas a 650 km debajo de la superficie de la Tierra con las observaciones de Schmandt, utilizando grandes cantidades de datos sísmicos de la USArray, una densa red de más de 2.000 sismógrafos en todo Estados Unidos.
Los hallazgos de Jacobsen y Schmandt convergieron para producir evidencia de que puede producirse fusión a unos 400 kilómetros de profundidad en la Tierra. Es probable que la clave para el proceso, dijeron los investigadores, sea la H2O almacenada en las rocas del manto, como la que contiene el mineral ringwoodita.
«La fusión de rocas a esta profundidad es notable porque la mayoría de la fusión en el manto se produce mucho más superficial, en los 80 km superiores», dijo Schmandt, un co-autor del artículo. «Si hay una cantidad sustancial de H2O en la zona de transición, entpnces se debe producir algo de fusión en áreas donde hay un flujo en el manto inferior, lo que es coherente con lo que hemos encontrado.»
Si sólo el uno por ciento del peso de la roca del manto situado en la zona de transición es H2O, sería equivalente a casi tres veces la cantidad de agua en los océanos, según los investigadores.
Este 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 km de roca sólida crea una presión tan alta, junto con temperaturas superiores a 2000 grados Fahrenheit, que una molécula de agua se divide para formar un radical hidroxilo (OH), que puede unirse a la estructura del cristal de un mineral.
Los hallazgos de Schmandt y Jacobsen se basan en un descubrimiento reportado en marzo en la revista Nature, en el que los científicos descubrieron un trozo del mineral ringwoodita dentro de un diamante traído desde una profundidad de 640 kilómtros en 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 en el mineral.
«No se sabe si esta muestra única de la composición interior de la Tierra es representativa o no, sin embargo», dijo Jacobsen. «Ahora hemos encontrado pruebas de una amplia fusión por debajo de América del Norte en las mismas profundidades correspondientes a la deshidratación de la ringwoodita, que es exactamente lo que ha estado sucediendo en mis experimentos.»
Durante años, Jacobsen se ha sintetizando ringwoodita en su laboratorio de la Northwestern, de color parecido al azul zafiro, haciendo reaccionar el mineral olivino de color verde con agua en condiciones de alta presión. (El manto superior de la Tierra es rico en olivino.) Se encontró que más de uno por ciento del peso de la estructura cristalina de la ringwoodita puede constar de agua; más o menos la misma cantidad de agua que se encontró en la muestra que se informó en el artículo de Nature.
«La ringwoodita es como una esponja, absorbiendo agua», dijo Jacobsen. «Hay algo muy especial en la estructura cristalina de la ringwoodita que le permite atraer el hidrógeno y atrapar agua. Este mineral puede contener una gran cantidad de agua en las condiciones del manto profundo.»
Para el estudio publicado en Science, Jacobsen sometió su ringwoodita sintetizada a las condiciones alrededor de 640 km por debajo de la superficie de la Tierra y se encontró que forma pequeñas cantidades de fusión parcial cuando lo pone en estas condiciones. Detectó la masa fundida en experimentos realizados en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional de Argonne y en el National Synchrotron Light Source del Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Jacobsen utiliza pequeños diamantes como duros yunques para comprimir minerales a las condiciones en las profundidades de la Tierra. «Debido a que las ventanas de diamantes son transparentes, podemos mirar a través del dispositivo de alta presión y ver las reacciones que se producen en las condiciones del manto profundo», dijo. «Utilizamos haces intensos de rayos X, electrones y luz infrarroja para estudiar las reacciones químicas que tienen lugar en la célula de diamantes.»
Los hallazgos de Jacobsen producen la misma evidencia de derretimiento parcial, o magma, que Schmandt detectó debajo de América del Norte mediante ondas sísmicas. Debido a que el manto profundo está más allá de la observación directa de los científicos, ellos utilizan ondas sísmicas —ondas de sonido a diferentes velocidades— para «ver» el interior de la Tierra.
«Los datos sísmicos de la USArray nos están dando una imagen más nítida que nunca de la estructura interna de la Tierra por debajo de América del Norte», dijo Schmandt. «El derretimiento que vemos parece estar impulsado por la subducción: el hundimiento de material del manto desde la superficie.»
La fusión que los investigadores han detectado se llama fusión de deshidratación. Las rocas en la zona de transición pueden contener una gran cantidad de H2O, pero las rocas en la parte superior del manto inferior puede que no contengan casi nada. El agua contenida dentro de la ringwoodita en la zona de transición es forzada a salir cuando se va a más profundidad (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», dijo Schmandt. «Esto se llama fusión por deshidratación.»
«Una vez que se libera el agua, gran parte de ella puede llegar a ser atrapada allí en la zona de transición», agregó Jacobsen.
Sólo un poco de masa fundida, el uno por ciento, se puede detectar con la nueva serie de sismómetros que apuntan a esta región del manto, porque la masa fundida ralentiza la velocidad de las ondas sísmicas, dijo Schmandt.
Más información: Dehydration melting at the top of the lower mantle, Science, 2014. www.sciencemag.org/lookup/doi/… 1126/science.1253358
Fuente: Physorg. Aportado por Eduardo J. Carletti
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