Posibles restos químicos de la Tierra primitiva se encuentran cerca del núcleo

Hagamos un viaje a las profundidades de la Tierra, a través de la corteza y el manto casi hasta el núcleo. Usaremos ondas sísmicas para mostrar el camino, ya que hacen eco a través del planeta después de un terremoto y revelan su estructura interna como ondas de radar.

Cerca del núcleo, hay zonas donde las ondas sísmicas se ralentizan a un lento. Una nueva investigación de la Universidad de Utah encuentra que estas zonas de velocidad ultrabaja enigmáticas y con nombres descriptivos están sorprendentemente en capas. El modelado sugiere que es posible que algunas de estas zonas sean restos de los procesos que dieron forma a la Tierra primitiva: restos de una mezcla incompleta como grumos de harina en el fondo de un tazón de masa.

«De todas las características que conocemos en el manto profundo, las zonas de velocidad ultrabaja representan las que probablemente son las más extremas», dice Michael S. Thorne, profesor asociado en el Departamento de Geología y Geofísica. «De hecho, estas son algunas de las características más extremas que se encuentran en cualquier lugar del planeta».

El estudio se publica en Naturaleza Geociencia y está financiado por la National Science Foundation.

En el manto

Repasemos cómo está estructurado el interior de la Tierra. Vivimos en la corteza, una fina capa de roca sólida. Entre la corteza y el núcleo de hierro-níquel en el centro del planeta se encuentra el manto. No es un océano de lava; en cambio, es más como una roca sólida, pero caliente y con una capacidad de movimiento que impulsa la tectónica de placas en la superficie.

¿Cómo podemos tener una idea de lo que está sucediendo en el manto y el núcleo? Ondas sísmicas. A medida que recorren la Tierra después de un terremoto, los científicos de la superficie pueden medir cómo y cuándo llegan las ondas a las estaciones de monitoreo de todo el mundo. A partir de esas mediciones, pueden calcular cómo las ondas reflejaban y desviaban las estructuras dentro de la Tierra, incluidas las capas de diferentes densidades. Así es como sabemos dónde están los límites entre la corteza, el manto y el núcleo, y parcialmente cómo sabemos de qué están hechos.

Las zonas de velocidad ultrabaja se encuentran en la parte inferior del manto, encima del núcleo exterior de metal líquido. En estas áreas, las ondas sísmicas disminuyen hasta la mitad y la densidad aumenta en un tercio.

Los científicos inicialmente pensaron que estas zonas eran áreas donde el manto estaba parcialmente derretido y podrían ser la fuente de magma para las regiones volcánicas llamadas «puntos calientes» como Islandia.

«Pero la mayoría de las cosas que llamamos zonas de velocidad ultrabaja no parecen estar ubicadas debajo de los volcanes de puntos calientes», dice Thorne, «así que esa no puede ser toda la historia».

Entonces, Thorne, la becaria postdoctoral Surya Pachhai y sus colegas de la Universidad Nacional de Australia, la Universidad Estatal de Arizona y la Universidad de Calgary se propusieron explorar una hipótesis alternativa: que las zonas de velocidad ultrabaja pueden ser regiones hechas de rocas diferentes al resto de las regiones. manto – y que su composición puede remontarse a la Tierra primitiva.

Quizás, dice Thorne, las zonas de velocidad ultrabaja podrían ser colecciones de óxido de hierro, que vemos como óxido en la superficie pero que pueden comportarse como un metal en el manto profundo. Si ese es el caso, las bolsas de óxido de hierro justo fuera del núcleo podrían influir en el campo magnético de la Tierra que se genera justo debajo.

«Las propiedades físicas de las zonas de velocidad ultrabaja están vinculadas a su origen», dice Pachhai, «que a su vez proporciona información importante sobre el estado térmico y químico, la evolución y la dinámica del manto más bajo de la Tierra, una parte esencial de la convección del manto que impulsa la tectónica de placas «.

Ondas sísmicas de ingeniería inversa

Para obtener una imagen clara, los investigadores estudiaron zonas de velocidad ultrabaja debajo del Mar del Coral, entre Australia y Nueva Zelanda. Es una ubicación ideal debido a la abundancia de terremotos en el área, que proporcionan una imagen sísmica de alta resolución del límite entre el núcleo y el manto. La esperanza era que las observaciones de alta resolución pudieran revelar más sobre cómo se unen las zonas de velocidad ultrabaja.

Pero obtener una imagen sísmica de algo a través de casi 1800 millas de corteza y manto no es fácil. Tampoco siempre es concluyente: una capa gruesa de material de baja velocidad puede reflejar las ondas sísmicas de la misma manera que una capa delgada de material de velocidad incluso más baja.

Entonces, el equipo utilizó un enfoque de ingeniería inversa.

«Podemos crear un modelo de la Tierra que incluya reducciones de velocidad de onda ultrabajas», dice Pachhai, «y luego ejecutar una simulación por computadora que nos diga cómo se verían las formas de onda sísmica si así fuera la Tierra. Nuestro El siguiente paso es comparar esas grabaciones previstas con las grabaciones que tenemos «.

A lo largo de cientos de miles de ejecuciones del modelo, el método, llamado «inversión bayesiana», produce un modelo matemáticamente robusto del interior con una buena comprensión de las incertidumbres y compensaciones de diferentes supuestos en el modelo.

Una pregunta particular que los investigadores querían responder es si hay estructuras internas, como capas, dentro de las zonas de velocidad ultrabaja. La respuesta, según los modelos, es que las capas son muy probables. Este es un gran problema, porque muestra la forma de entender cómo surgieron estas zonas.

«Hasta donde sabemos, este es el primer estudio que utiliza un enfoque bayesiano en este nivel de detalle para investigar zonas de velocidad ultrabaja», dice Pachhai, «y también es el primer estudio que demuestra una fuerte estratificación dentro de una zona de velocidad ultrabaja». . «

Mirando hacia atrás a los orígenes del planeta

¿Qué significa que probablemente haya capas?

Hace más de cuatro mil millones de años, mientras el hierro denso se hundía hasta el núcleo de la Tierra primitiva y los minerales más ligeros flotaban en el manto, un objeto planetario del tamaño de Marte pudo haberse estrellado contra el planeta infantil. La colisión pudo haber arrojado escombros a la órbita de la Tierra que más tarde podrían haber formado la Luna. También elevó significativamente la temperatura de la Tierra, como era de esperar de dos planetas chocando entre sí.

«Como resultado, se formó un gran cuerpo de material fundido, conocido como océano de magma», dice Pachhai. El «océano» habría consistido en rocas, gases y cristales suspendidos en el magma.

El océano se habría ordenado a medida que se enfriaba, con materiales densos hundiéndose y formando capas en el fondo del manto.

Durante los siguientes miles de millones de años, a medida que el manto se agitaba y se convertía, la capa densa habría sido empujada en pequeños parches, mostrándose como las zonas en capas de velocidad ultrabaja que vemos hoy.

«Así que el hallazgo principal y más sorprendente es que las zonas de velocidad ultrabaja no son homogéneas sino que contienen fuertes heterogeneidades (variaciones estructurales y de composición) dentro de ellas», dice Pachhai. «Este hallazgo cambia nuestra visión sobre el origen y la dinámica de las zonas de velocidad ultrabaja. Descubrimos que este tipo de zona de velocidad ultrabaja puede explicarse por heterogeneidades químicas creadas al comienzo de la historia de la Tierra y que todavía no lo son. bien mezclado después de 4.500 millones de años de convección del manto «.

No es la última palabra

El estudio proporciona alguna evidencia de los orígenes de algunas zonas de velocidad ultrabaja, aunque también hay evidencia que sugiere diferentes orígenes para otras, como el derretimiento de la corteza oceánica que se hunde nuevamente en el manto. Pero si al menos algunas zonas de velocidad ultrabaja son restos de la Tierra primitiva, conservan parte de la historia del planeta que de otro modo se habría perdido.

«Por lo tanto, nuestro descubrimiento proporciona una herramienta para comprender el estado térmico y químico inicial del manto de la Tierra», dice Pachhai, «y su evolución a largo plazo».