En los años 1960, unos 50 años después de que el investigador alemán Alfred Wegener propusiera su hipótesis de la deriva continental, la teoría de la tectónica de placas dio a los científicos un marco unificador para describir el movimiento a gran escala de las placas superficiales que componen la litosfera de la Tierra, un marco que posteriormente revolucionó las geociencias.

La forma en que esas placas se mueven alrededor de la superficie de la Tierra está controlada por el movimiento dentro del manto, cuya fuerza impulsora es la convección debido a anomalías térmicas, con heterogeneidad composicional también esperada. Sin embargo, el desafío técnico de visualizar estructuras dentro de una óptica impenetrable, 6, La esfera rocosa de 371 kilómetros de radio ha permitido comprender el estado compositivo y térmico del manto, así como su evolución dinámica, un desafío de larga data en las ciencias de la Tierra.

Ahora, en un artículo publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , investigadores del MIT, Colegio Imperial, Universidad de Rice, y el Instituto de Ciencias de la Tierra en Francia informan evidencia directa de variaciones laterales en la composición del manto debajo de Hawai. Los resultados proporcionan a los científicos nuevos conocimientos importantes sobre cómo ha evolucionado la Tierra a lo largo de sus 4.500 millones de años de historia. por qué es como es ahora, y lo que esto significa para los planetas rocosos en otros lugares.

Variación composicional

Los científicos tratan el manto como dos capas, el manto inferior y el manto superior, separadas por una capa límite denominada zona de transición del manto (MTZ). Físicamente, la MTZ está limitada por dos discontinuidades de velocidad sísmica cerca de 410 km y 660 km de profundidad (denominadas 410 y 660). Estas discontinuidades, que se deben a transiciones de fase en minerales de silicato, juegan un papel importante en la modulación del flujo del manto. Las variaciones laterales en profundidad a estas discontinuidades se han utilizado ampliamente para inferir anomalías térmicas en el manto, como predice la física mineral un 410 menos profundo y un 660 más profundo en las regiones frías y un 410 más profundo y un 660 menos profundo en las regiones cálidas.

Estudios petrológicos y numéricos previos también predicen la segregación composicional de material basáltico y harzburgítico (y por lo tanto heterogeneidad composicional) cerca de la base de la MTZ en los ambientes relativamente cálidos de baja viscosidad cerca de las afloramientos del manto. Pero la evidencia observacional de tal proceso ha sido escasa.

El nuevo estudio, sin embargo, demuestra una clara evidencia de variación lateral en la composición cerca de la base de la MTZ debajo de Hawai. Esta evidencia podría tener implicaciones importantes para nuestra comprensión general de la dinámica del manto.

Como autor principal, Chunquan Yu Ph.D. 'dieciséis, un ex estudiante de posgrado en Hilst Group en MIT que ahora es un posdoctorado en Caltech, explica, "En las dorsales del océano medio, La separación de placas da como resultado una fusión parcial y ascendente del material del manto. Tal proceso causa la diferenciación de la litosfera oceánica con material basáltico en la corteza y residuo harzburgítico en el manto. A medida que se enfría la litosfera oceánica diferenciada, desciende de nuevo al manto a lo largo de la zona de subducción. El basalto y la harzburgita son difíciles de separar en ambientes fríos. Sin embargo, pueden segregarse en ambientes relativamente cálidos de baja viscosidad, como afloramientos cercanos al manto, proporcionando potencialmente una fuente importante de heterogeneidad composicional en el manto de la Tierra ".

Mirando con terremotos

Para explorar esta idea, Yu y sus colegas utilizaron una técnica sísmica que incluía el análisis de los reflejos de las ondas de corte en la parte inferior de las discontinuidades del manto, conocidas como precursores SS, para estudiar las estructuras MTZ debajo del Océano Pacífico alrededor de Hawai.

"Cuando ocurre un terremoto, irradia energía de onda compresional (P) y de onda cortante (S). Tanto las ondas P como las S pueden reflejarse desde interfaces en el interior de la Tierra, "Yu explica." Si una onda S deja una fuente hacia abajo y se refleja en la superficie libre antes de llegar al receptor, se denomina SS. Los precursores SS son reflejos de ondas S en la parte inferior de las discontinuidades del manto. Debido a que viajan por caminos de rayos más cortos, son precursores de SS ".

Usando una técnica novedosa de matriz sísmica, el equipo pudo mejorar la relación señal-ruido de los precursores SS y eliminar las fases de interferencia. Como resultado, muchos más datos que de otro modo habrían sido descartados se volvieron accesibles para su análisis.

También emplearon el llamado análisis de amplitud versus compensación, una herramienta ampliamente utilizada en sismología de exploración, para restringir las propiedades elásticas cerca de las discontinuidades de MTZ.

El análisis encuentra fuertes variaciones laterales en los contrastes radiales en la densidad de masa y la velocidad de onda en 660, mientras que no se observaron tales variaciones a lo largo de 410. Complementando esto, el modelado termodinámico del equipo, a lo largo de un rango de temperaturas del manto para varias composiciones representativas del manto, excluye un origen térmico para las variaciones laterales inferidas en los contrastes elásticos en 660. En cambio, Los 660 contrastes inferidos se pueden explicar por la variación lateral en la composición del manto:desde el manto promedio (pirolítico; alrededor del 60 por ciento de olivino) debajo de Hawai hasta una mezcla con más harzburgita empobrecida (alrededor del 80 por ciento de olivino) al sureste del hotspot. Tal heterogeneidad composicional es consistente con las predicciones numéricas de que la segregación de material basáltico y harzburgítico podría ocurrir cerca de la base de la MTZ cerca de afloramientos calientes y profundos del manto como el que a menudo se invoca para causar actividad volcánica en Hawai.

"Se ha sugerido que la segregación composicional entre materiales basálticos y harzburgíticos podría formar una capa gravitacionalmente estable sobre la base de la MTZ. Si es así, puede proporcionar un filtro para las corrientes descendentes de losas y las afloramientos del manto inferior, y por lo tanto afectan fuertemente el modo de convección del manto y su circulación química, "dice Yu.

Este estudio presenta una técnica prometedora para conseguir limitaciones en la hasta ahora esquiva distribución de la heterogeneidad composicional dentro del manto de la Tierra. La segregación composicional cerca de la base de la MTZ se esperaba desde la década de 1960 y la evidencia de que este proceso efectivamente ocurre tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión de la evolución química de 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.