Cuando golpea un terremoto, los sismómetros cercanos captan sus vibraciones en forma de ondas sísmicas. Además de revelar el epicentro de un terremoto, Las ondas sísmicas pueden dar a los científicos una forma de trazar un mapa de las estructuras interiores de la Tierra. al igual que una tomografía computarizada toma imágenes del cuerpo.

Midiendo la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas a varias profundidades, los científicos pueden determinar los tipos de rocas y otros materiales que se encuentran debajo de la superficie de la Tierra. La precisión de tales mapas sísmicos depende de la comprensión de los científicos de cómo varios materiales afectan las velocidades de las ondas sísmicas.

Ahora, los investigadores del MIT y la Universidad Nacional de Australia han descubierto que las ondas sísmicas son esencialmente ciegas a una sustancia muy común que se encuentra en todo el interior de la Tierra:el agua.

Sus hallazgos, publicado hoy en la revista Naturaleza , van en contra de la suposición general de que las imágenes sísmicas pueden detectar signos de agua en las profundidades del manto superior de la Tierra. De hecho, El equipo descubrió que incluso pequeñas cantidades de agua no tienen ningún efecto sobre la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas.

Los resultados pueden ayudar a los científicos a reinterpretar los mapas sísmicos del interior de la Tierra. Por ejemplo, en lugares como las dorsales oceánicas, el magma de las profundidades de la Tierra entra en erupción a través de enormes grietas en el lecho marino, extendiéndose lejos de la cresta y solidificándose eventualmente como una nueva corteza oceánica.

El proceso de fusión a decenas de kilómetros por debajo de la superficie elimina pequeñas cantidades de agua que se encuentran en las rocas a mayor profundidad. Los científicos han pensado que las imágenes sísmicas mostraban esta transición "húmedo-seco", correspondiente a la transición de placas tectónicas rígidas a un manto deformable debajo. Sin embargo, Los hallazgos del equipo sugieren que las imágenes sísmicas pueden estar detectando signos de no agua, sino más bien, derretir - pequeñas bolsas de roca fundida.

"Si vemos variaciones muy fuertes [en las velocidades sísmicas], es más probable que se derritan, "dice Ulrich Faul, un científico investigador en el Departamento de Tierra del MIT, Atmosférico, y Ciencias Planetarias. "Agua, basado en estos experimentos, ya no es un actor importante en ese sentido. Esto cambiará la forma en que interpretamos las imágenes del interior de la Tierra ".

Los coautores de Faul son el autor principal Christopher Cline, junto a Emmanuel David, Andrew Berry, e Ian Jackson, de la Universidad Nacional de Australia.

Un giro sísmico

Faul, Cline, y sus colegas se propusieron originalmente determinar exactamente cómo afecta el agua a la velocidad de las ondas sísmicas. Ellos asumieron como lo han hecho la mayoría de los investigadores, que las imágenes sísmicas pueden "ver" el agua, en forma de grupos hidroxilo dentro de granos minerales individuales en rocas, y como bolsas de agua a escala molecular atrapadas entre estos granos. Agua, incluso en pequeñas cantidades, se sabe que debilita las rocas en las profundidades del interior de la Tierra.

"Se sabía que el agua tiene un fuerte efecto en muy pequeñas cantidades sobre las propiedades de las rocas, "Dice Faul." A partir de ahí, la inferencia fue que el agua también afecta sustancialmente la velocidad de las ondas sísmicas ".

Para medir hasta qué punto el agua afecta la velocidad de las ondas sísmicas, el equipo produjo diferentes muestras de olivino, un mineral que constituye la mayor parte del manto superior de la Tierra y determina sus propiedades. Atraparon varias cantidades de agua dentro de cada muestra, y luego colocó las muestras una a la vez en una máquina diseñada para torcer lentamente una roca, similar a torcer una goma elástica. Los experimentos se realizaron en un horno a altas presiones y temperaturas, para simular condiciones en las profundidades de la Tierra.

"Giramos la muestra en un extremo y medimos la magnitud y el retraso de tiempo de la deformación resultante en el otro extremo, "Dice Faul." Esto simula la propagación de ondas sísmicas a través de la Tierra. La magnitud de esta tensión es similar al ancho de un cabello humano delgado; no es muy fácil de medir a una presión de 2, 000 veces la presión atmosférica y una temperatura que se acerca a la temperatura de fusión del acero ".

El equipo esperaba encontrar una correlación entre la cantidad de agua en una muestra dada y la velocidad a la que las ondas sísmicas se propagarían a través de esa muestra. Cuando las muestras iniciales no mostraron el comportamiento anticipado, los investigadores modificaron la composición y volvieron a medir, pero siguieron obteniendo el mismo resultado negativo. Con el tiempo, resultó ineludible que la hipótesis original fuera incorrecta.

"De nuestras medidas [de torsión], las rocas se comportaban como si estuvieran secas, aunque pudimos analizar claramente el agua allí, "Dice Faul". En ese momento, sabíamos que el agua no hace ninguna diferencia ".

Una roca, encajonado

Otro resultado inesperado de los experimentos fue que la velocidad de la onda sísmica parecía depender del estado de oxidación de una roca. Todas las rocas de la Tierra contienen ciertas cantidades de hierro, en varios estados de oxidación, del mismo modo que el hierro metálico de un automóvil puede oxidarse cuando se expone a una cierta cantidad de oxígeno. Los investigadores encontraron, casi sin querer, que la oxidación del hierro en el olivino afecta la forma en que las ondas sísmicas viajan a través de la roca.

Cline y Faul llegaron a esta conclusión después de tener que reconfigurar su configuración experimental. Para llevar a cabo sus experimentos, el equipo generalmente encierra cada muestra de roca en un cilindro hecho de níquel y hierro. Sin embargo, al medir el contenido de agua de cada muestra en este cilindro, encontraron que los átomos de hidrógeno en el agua tendían a escapar de la roca, a través de la carcasa de metal. Para contener hidrógeno, cambiaron su carcasa por una hecha de platino.

Para su sorpresa, encontraron que el tipo de metal que rodeaba las muestras afectaba sus propiedades sísmicas. Experimentos separados mostraron que lo que de hecho cambió fue la cantidad de Fe3 + en el olivino. Normalmente, el estado de oxidación del hierro en el olivino es 2+. Como resulta, la presencia de Fe3 + produce imperfecciones que afectan la velocidad de las ondas sísmicas.

Faul dice que los hallazgos del grupo sugieren que las ondas sísmicas pueden usarse para mapear los niveles de oxidación, como en las zonas de subducción, regiones de la Tierra donde las placas oceánicas se hunden en el manto. Según sus resultados, sin embargo, Las imágenes sísmicas no se pueden utilizar para obtener imágenes de la distribución del agua en el interior de la Tierra. Lo que algunos científicos interpretaron como agua puede de hecho ser derretido, una idea que puede cambiar nuestra comprensión de cómo la Tierra cambia sus placas tectónicas con el tiempo.

"Una pregunta subyacente es qué lubrica las placas tectónicas en la Tierra, "Dice Faul." Nuestro trabajo apunta hacia la importancia de pequeñas cantidades de fusión en la base de las placas tectónicas, en lugar de un manto húmedo debajo de placas secas. En general, estos resultados pueden ayudar a iluminar el ciclo de volátiles entre el interior y la superficie de la Tierra ".