Los minerales atrapados dentro de pequeños cristales que han sobrevivido a la molienda de los continentes durante miles de millones de años pueden ayudar a revelar los orígenes de la tectónica de placas y quizás incluso proporcionar pistas sobre cómo surgió la vida compleja en la Tierra.

La teoría de la tectónica de placas, que describe cómo la corteza terrestre se divide en placas que flotan y se deslizan sobre una capa de roca maleable debajo, fue ampliamente aceptada por la ciencia hace unos 50 años. Se cree que el proceso ha dado forma en gran medida al mundo que nos rodea al permitir que se formen continentes, arrojando enormes cadenas montañosas cuando chocan, creando islas volcánicas y provocando terremotos catastróficos.

Pero todavía hay un debate sobre exactamente cómo y cuándo en los 4.500 millones de años de historia de nuestro planeta se formaron las placas, las estimaciones varían desde menos de mil millones hasta hace 4,3 mil millones de años.

Tampoco está claro exactamente qué tan rápido evolucionó la tectónica de placas, dice el Dr. Hugo Moreira, geólogo de la Universidad de Montpellier en Francia. ¿La corteza terrestre se dividió abruptamente en múltiples placas y comenzó a moverse en solo decenas de millones de años? ¿O fue el proceso mucho más gradual? tomando cientos de millones de años o más?

Comprender esto podría resultar crucial para comprender no solo cómo ha evolucionado el planeta, sino también cómo la vida pudo haberse iniciado en la Tierra. Se cree que las condiciones creadas por la tectónica de placas ayudaron a que la Tierra fuera hospitalaria para la vida en primer lugar y también proporcionaron los nutrientes vitales necesarios para que prospere la vida multicelular compleja.

Cápsulas de tiempo de cristal

El Dr. Moreira y sus colegas están buscando respuestas a estas preguntas dentro de pequeños cristales de circón, que son cápsulas del tiempo del pasado lejano de la Tierra debido a su extrema robustez. A menudo se encuentran preservados en la roca a pesar de la acción de los continuos fenómenos meteorológicos y geológicos.

Muchos de estos cristales se han fechado previamente mediante el análisis de la desintegración radiactiva de los isótopos (diferentes formas de elementos) que contienen. Algunos se han encontrado hasta hace 4.400 millones de años, los primeros fragmentos conocidos de la corteza terrestre.

"Es por eso que el circón es asombroso, porque aunque las rocas que componen los continentes fueron destruidas, el circón sobrevivió en el registro sedimentario, ", dijo el Dr. Moreira. Los científicos han utilizado previamente cristales de circón para estudiar la historia de la corteza continental de la Tierra, pero aún no ha sido suficiente para proporcionar un consenso definitivo sobre cómo comenzó la tectónica de placas, él dice.

"Después de analizar cientos de miles de ellos, todavía no tenemos un acuerdo, "dijo el Dr. Moreira, miembro del proyecto MILESTONE dirigido por el Dr. Bruno Dhuime, investigador de geociencias para el Centro Nacional Francés de Investigación Científica también en la Universidad de Montpellier.

Los investigadores esperan utilizar estos cristales, que normalmente miden alrededor de una décima de milímetro, o aproximadamente el grosor de un cabello humano, para mejorar nuestra comprensión del tiempo y la evolución de la tectónica de placas.

El grupo MILESTONE profundizará a una escala aún más pequeña, alrededor de una centésima de milímetro, para examinar rastros de minerales de apatita y feldespato atrapados dentro de los cristales de circón. Los isótopos de estroncio y plomo en estas 'inclusiones' pueden agregar detalles sin precedentes sobre la fuente de formación del circón y si esto ocurrió en los diferentes tipos de magma debajo de placas estancadas o en movimiento, dice el Dr. Moreira.

"Será un paso fundamental hacia una mejor comprensión de cómo evolucionó nuestro planeta, ", dijo." Si logramos medir la composición isotópica de estas pequeñas inclusiones, podríamos decir cuál era la composición de la roca a partir de la cual cristalizó el circón. Quizás podamos entender cómo evolucionó la corteza en ese punto y en qué tipo de escenarios tectónicos se formó el magma ".

Este análisis a pequeña escala ha sido posible gracias a la creación de un laboratorio que contiene un espectrómetro de masas de alta sensibilidad, equipo que mide las características de los átomos.

El equipo espera comenzar a analizar muestras el próximo mes, en última instancia, investigando inclusiones en más de 5, 000 circonitas de diferentes edades de todo el mundo para crear una imagen a gran escala. "Lo que queremos hacer es señalar cuándo se globalizó la tectónica de placas en lugar de cuándo se localizó en puntos aislados aquí y allá, "dijo el Dr. Moreira.

Estructuras subterráneas

En el extremo opuesto de la escala, otros investigadores han estado buscando pistas sobre los orígenes de la tectónica de placas en dos estructuras masivas del tamaño de un continente que se encuentran bajo tierra debajo de las placas del Pacífico y África.

Estas 'pilas termoquímicas, "estructuras misteriosas ubicadas alrededor de 2, 900 kilómetros por debajo de la superficie en el límite entre el núcleo y el manto de la Tierra, were discovered in the 1990s with the aid of seismic tomography—imaging from seismic waves produced by earthquakes or explosions. They were detected as potentially warmer areas of material in which seismic waves travel at different speeds than in the surrounding mantle, but there is still much debate about exactly what they are, including their composition, longevidad, shape and origins.

Over the past couple of decades, a 'fiery' debate has arisen over their proposed link to movements on the planet's surface and so their potential involvement in the emergence of plate tectonics, explained Dr. Philip Heron, a geoscientist who studied the structures as lead researcher on the TEROPPLATE project at Durham University.

"These piles are thought to have an impact on how material moves within the planet, and therefore how the surface behaves over time, " he said. Events on the surface may in turn drive their activity.

One theory is that these piles are stable for long geological periods and their edges correspond with the position of key features involved in plate tectonics on Earth's surface, such as supervolcanoes.

Sin embargo, their extreme depth makes these piles difficult to observe directly. "Given that these structures are in places 100 times higher than Mount Everest, they may be the largest things in our planet that we know the least about, " said Dr. Heron.

Supercomputer power

The TEROPPLATE project harnessed supercomputer power to investigate. Using more than 1, 000 computers working in tandem, the team developed 3-D models of Earth to show how the assumed chemical composition of large hot regions deep underground might influence the formation and location of deep mantle plumes.

Sin embargo, their models indicated that the piles may be more passive in plate tectonics than initially thought and that the world would still form similar geological features without them. "When looking at the positioning of large plumes of material that form supervolcanoes, our numerical simulations indicated that the chemical piles were not the controlling factor in this, " said Dr. Heron.

But he added that these findings were not fully conclusive and have also opened the door to other interesting avenues for research—such as exploring the implications that these structures are constantly moving through the mantle rather than being largely stationary.

"It gives weight to the theory that the chemical piles may not be rigid and fixed in our planet, and that the deep Earth may evolve as readily as the continents on our surface move around, " he said. "It's a push to start looking deeper."

Some of TEROPPLATE's results also indicate that the piles may have been robust enough to survive Earth's earliest beginnings. That makes it feasible for them to have been around for the start of plate tectonics and thus to have had roles in the process that we don't yet know about, adds Dr. Heron.

All of this could have implications for understanding our own place on Earth too. Si, por ejemplo, plate tectonics evolved rapidly early in Earth's history, it may raise questions such as why complex life didn't emerge earlier or just how closely the two are linked, says Dr. Moreira.

"To fundamentally understand where plate tectonics comes from is potentially the essence of life, " added Dr. Heron. "On Earth, there's not a thing that hasn't been impacted by it."