La tectónica de placas ha dado forma a la superficie de la Tierra durante miles de millones de años:los continentes y la corteza oceánica se han empujado y jalado entre sí, reorganizando continuamente la fachada del planeta. Mientras dos placas masivas chocan, uno puede ceder y deslizarse debajo del otro en un proceso llamado subducción. La losa subducida luego se desliza hacia abajo a través del manto viscoso de la Tierra, como una piedra plana en un estanque de miel.

En la mayor parte, las losas de subducción de hoy solo pueden hundirse hasta ahora, a unos 670 kilómetros por debajo de la superficie, antes de que la composición del manto pase de una consistencia parecida a la miel, a la de la pasta, demasiado densa para que la mayoría de losas penetren más. Los científicos han sospechado que este filtro de densidad existió en el manto durante la mayor parte de la historia de la Tierra.

Ahora, sin embargo, Los geólogos del MIT han descubierto que este límite de densidad era mucho menos pronunciado en el manto de la Tierra antigua, Hace 3 mil millones de años. En un artículo publicado en Cartas de ciencia terrestre y planetaria , los investigadores señalan que la Tierra antigua albergaba un manto que era hasta 200 grados centígrados más caliente de lo que es hoy, temperaturas que pueden haber aumentado de manera más uniforme, material menos denso en toda la capa del manto.

Los investigadores también encontraron que, en comparación con el material rocoso actual, la corteza antigua estaba compuesta de una materia mucho más densa, enriquecido en hierro y magnesio. La combinación de un manto más caliente y rocas más densas probablemente causó que las placas subductoras se hundieran hasta el fondo del manto, 2, 800 kilómetros por debajo de la superficie, formando un "cementerio" de losas sobre el núcleo de la Tierra.

Sus resultados pintan una imagen de subducción muy diferente a la que ocurre hoy, y sugiere que el antiguo manto de la Tierra era mucho más eficiente para derribar pedazos de la corteza del planeta.

"Descubrimos que hace unos 3.000 millones de años, las losas subducidas habrían permanecido más densas que el manto circundante, incluso en la zona de transición, y no hay ninguna razón desde el punto de vista de la flotabilidad por la que las losas deban atascarse allí. En lugar de, siempre deben hundirse, que es un caso mucho menos común hoy en día, "dice el autor principal, Benjamin Klein, estudiante de posgrado en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS). "Esto parece sugerir que hubo un gran cambio en la historia de la Tierra en términos de cómo habrían ocurrido los procesos de convección del manto y tectónica de placas".

Los coautores de Klein son Oliver Jagoutz, profesor asociado en EAPS, y Mark Behn de la Institución Oceanográfica Woods Hole.

Diferencia de temperatura

"Hay una pregunta abierta sobre cuándo comenzó realmente la tectónica de placas en la historia de la Tierra, ", Dice Klein." Existe un consenso general de que probablemente estaba sucediendo hace al menos 3 mil millones de años. También es aquí cuando la mayoría de los modelos sugieren que la Tierra estaba en su punto más caliente ".

Hace alrededor de 3 mil millones de años, el manto era probablemente alrededor de 150-200 C más cálido de lo que es hoy. Klein, Jagoutz, y Behn investigó si las temperaturas más altas en el interior de la Tierra marcaban una diferencia en cómo las placas tectónicas, una vez subducido, fueron transportados a través del manto.

"Nuestro trabajo comenzó como este experimento mental para decir:si sabemos que las temperaturas eran mucho más altas, cómo podría haber modulado el aspecto de la tectónica, sin cambiarlo al por mayor ", dice Klein." Porque el debate anterior era este argumento binario:o había tectónica de placas, o no lo hubo, y estamos sugiriendo que hay más espacio en el medio ".

Un "cambio de densidad"

El equipo realizó su análisis, asumiendo que la tectónica de placas de hecho estaba dando forma a la superficie de la Tierra hace 3 mil millones de años. Buscaron comparar la densidad de las losas en subducción en ese momento con la densidad del manto circundante, cuya diferencia determinaría cuánto se habrían hundido las losas.

Para estimar la densidad de losas antiguas, Klein compiló un gran conjunto de datos de más de 1, 400 muestras analizadas previamente de rocas modernas y komatiitas, tipos de rocas clásicas que existían hace unos 3.000 millones de años, pero que ya no se producen en la actualidad. Estas rocas contienen una mayor cantidad de hierro y magnesio densos en comparación con la corteza oceánica actual. Klein usó la composición de cada muestra de roca para calcular la densidad de una losa de subducción típica, tanto para la actualidad como para hace 3 mil millones de años.

Luego estimó la temperatura promedio de una losa de subducción moderna frente a una antigua, en relación con la temperatura del manto circundante. Razonó que la distancia que se hunde una losa depende no solo de su densidad sino también de su temperatura en relación con el manto:cuanto más frío es un objeto en relación con su entorno, más rápido y más debe hundirse.

El equipo utilizó un modelo termodinámico para determinar el perfil de densidad de cada losa en subducción, o cómo cambia su densidad a medida que se hunde a través del manto, dada la temperatura del manto, que tomaron de las estimaciones de otros y un modelo de la temperatura de la losa. De estos cálculos, determinaron la profundidad a la que cada losa se volvería menos densa que el manto circundante.

En este punto, plantearon la hipótesis de que debería producirse un "cambio de densidad", de tal manera que una losa no debería poder hundirse más allá de este límite.

"Parece haber este filtro y control crítico sobre el movimiento de las losas y, por lo tanto, la convección del manto, "Dice Klein.

Un lugar de descanso final

El equipo descubrió que sus estimaciones de dónde se encuentra este límite en el manto moderno, a unos 670 kilómetros por debajo de la superficie, coincidían con las mediciones reales tomadas de esta zona de transición hoy. confirmando que su método también puede estimar con precisión la Tierra antigua.

"Hoy dia, cuando las losas entran en el manto, son más densos que el manto ambiental en el manto superior e inferior, pero en esta zona de transición, las densidades cambian, ", Dice Klein." Así que dentro de esta pequeña capa, las losas son menos densas que el manto, y están felices de quedarse allí, casi flotando y estancado ".

Por la Tierra antigua, Hace 3 mil millones de años, los investigadores encontraron que, porque el manto antiguo estaba mucho más caliente que hoy, y las losas mucho más densas, no se habría producido un cambio de densidad. En lugar de, las losas de subducción se habrían hundido directamente hasta el fondo del manto, estableciendo su lugar de descanso final justo encima del núcleo de la Tierra.

Jagoutz dice que los resultados sugieren que en algún momento entre hace 3 mil millones de años y hoy, a medida que se enfriaba el interior de la Tierra, el manto cambió de un sistema de convección de una capa, en el que las losas fluían libremente desde las capas superiores a las inferiores del manto, a una configuración de dos capas, donde las losas tenían más dificultades para penetrar hasta el manto inferior.

"Esto muestra que cuando un planeta comienza a enfriarse, este límite, aunque siempre está ahí se convierte en un filtro de densidad significativamente más profundo, ", Dice Jagoutz." No sabemos qué pasará en el futuro, pero en teoría es posible que la Tierra pase de un régimen dominante de convección de una capa, para dos. Y eso es parte de la evolución de toda la Tierra ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.