Una nueva investigación de la Universidad de Texas en Austin agrega evidencia a una teoría que afirma que los núcleos metálicos de planetas rocosos como la Tierra se formaron cuando el metal fundido atrapado entre granos de roca de silicato se filtró al centro del planeta durante su formación inicial. Crédito:UT Austin
Los científicos han reflexionado durante mucho tiempo sobre cómo los cuerpos rocosos del sistema solar, incluida nuestra propia Tierra, obtuvieron sus núcleos metálicos. Según una investigación realizada por la Universidad de Texas en Austin, la evidencia apunta a la percolación hacia abajo del metal fundido hacia el centro del planeta a través de pequeños canales entre los granos de roca.
El hallazgo cuestiona la interpretación de experimentos y simulaciones anteriores que buscaban comprender cómo se comportan los metales bajo calor y presión intensos cuando se forman los planetas. Los resultados anteriores sugirieron que grandes porciones de metales fundidos quedaban atrapadas en poros aislados entre los granos. A diferencia de, la nueva investigación sugiere que una vez que esos poros aislados crecen lo suficiente como para conectarse, el metal fundido comienza a fluir, y la mayor parte puede filtrarse a lo largo de los límites de los granos. Este proceso permitiría que el metal fluyera a través del manto, se acumulan en el centro, y formar un núcleo de metal, como el núcleo de hierro en el corazón de nuestro planeta natal.
"Lo que estamos diciendo es que una vez que la red Melt se conecte, permanece conectado hasta que casi todo el metal está en el núcleo, "dijo el coautor Marc Hesse, profesor asociado en el Departamento de Ciencias Geológicas de la Escuela de Geociencias de UT Jackson, y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Computacionales de UT.
La investigación fue publicada el 4 de diciembre en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . El trabajo fue la tesis doctoral de Soheil Ghanbarzadeh, quien obtuvo su Ph.D. mientras estudiaba en el Departamento de Ingeniería de Petróleo y Geosistemas de la UT (ahora el Departamento de Ingeniería de Petróleo y Geosistemas de Hildebrand). Actualmente trabaja como ingeniero de yacimientos en BP America. Soheil fue asesorado conjuntamente por Hesse y Maša Prodanovic, profesor asociado en el Departamento de Hildebrand y coautor.
Los planetas y planetesimales (planetas pequeños y asteroides grandes) se forman principalmente a partir de rocas de silicato y metal. Parte del proceso de formación del planeta involucra la masa inicial de material que se separa en un núcleo metálico y una capa de silicato formada por el manto y la corteza. Para que funcione la teoría de la percolación de la formación de núcleos, la gran mayoría del metal del cuerpo planetario debe llegar al centro.
En este estudio, Ghanbarzadeh desarrolló un modelo informático para simular la distribución de hierro fundido entre los granos de roca como porosidad, o fracción fundida, aumentado o disminuido. Las simulaciones se realizaron en el Texas Advanced Computing Center. Los investigadores encontraron que una vez que el metal comienza a fluir, puede continuar fluyendo incluso cuando la fracción de masa fundida disminuye significativamente. Esto contrasta con las simulaciones anteriores que encontraron que una vez que el metal comienza a fluir, solo se necesita una pequeña caída en el volumen de la masa fundida para que se detenga la percolación.
Imágenes de redes de fusión en granos irregulares (a) utilizadas en un estudio de la Universidad de Texas en Austin y redes de fusión en granos regulares (b) utilizadas en estudios anteriores. Sus simulaciones muestran que la irregularidad de los granos promueve la conectividad de la masa fundida. Crédito:UT Austin
"La gente ha asumido que se desconecta en la misma fracción de fusión en la que se conectó inicialmente ... y dejaría cantidades significativas de metal detrás, "Dijo Hesse." Lo que encontramos es que cuando el metal fundido se conecta y cuando se desconecta no es necesariamente lo mismo ".
Según el modelo de computadora, solo del 1 al 2 por ciento del metal inicial quedaría atrapado en el manto de silicato cuando se detiene la percolación, lo cual es consistente con la cantidad de metal en el manto de la Tierra.
Los investigadores señalan la disposición de los granos de roca para explicar las diferencias en qué tan bien conectados están los espacios entre los granos. El trabajo anterior utilizó un patrón geométrico de regular, granos idénticos, mientras que este trabajo se basó en simulaciones utilizando una geometría de grano irregular, que se cree que refleja más de cerca las condiciones de la vida real. La geometría se generó utilizando datos de una muestra de titanio policristalino que se escaneó mediante microtomografía de rayos X.
"El modelo numérico que Soheil desarrolló en su tesis doctoral permitió encontrar por primera vez redes de fusión tridimensionales de cualquier complejidad geométrica, ", dijo Prodanovic." Tener un modelo tridimensional es clave para comprender y cuantificar cómo funciona el atrapamiento por fusión ".
El esfuerzo valió la pena porque los investigadores encontraron que la geometría tiene un fuerte efecto en la conectividad de la masa fundida. En los granos irregulares, los canales de fusión varían en ancho, y los más grandes permanecen conectados incluso cuando la mayor parte del metal se escurre.
"Lo que hicimos de manera diferente aquí fue agregar el elemento de curiosidad para ver qué sucede cuando se drena la masa fundida de los poros, roca dúctil, "dijo Ghanbarzadeh.
Los investigadores también compararon sus resultados con una red de fusión metálica conservada en un meteorito ancondrita, un tipo de meteorito que proviene de un cuerpo planetario que se diferencia en capas discernibles. Las imágenes de rayos X del meteorito tomadas en la instalación de TC de rayos X de alta resolución de la Escuela Jackson revelaron una distribución de metal que es comparable a las redes de fusión calculadas. Prodanovic dijo que esta comparación muestra que su simulación captura las características observadas en el meteorito.
