El conocimiento actual es que la composición química del manto de la Tierra es relativamente homogénea. Pero los experimentos llevados a cabo por investigadores de ETH ahora muestran que esta visión es demasiado simplista. Sus resultados resuelven un problema clave al que se enfrentan las geociencias y plantean algunas preguntas nuevas.

Hay lugares que siempre estarán fuera de nuestro alcance. El interior de la Tierra es uno de ellos. Pero tenemos formas de obtener una comprensión de este mundo inexplorado. Ondas sísmicas, por ejemplo, nos permiten poner restricciones importantes sobre la estructura de nuestro planeta y las propiedades físicas de los materiales escondidos en lo profundo de él. Luego están las rocas volcánicas que emergen en algunos lugares de la superficie de la Tierra desde lo más profundo y brindan pistas importantes sobre la composición química del manto. Y finalmente hay experimentos de laboratorio que pueden simular las condiciones del interior de la Tierra a pequeña escala.

Una nueva publicación de Motohiko Murakami, Catedrático de Física Mineral Experimental, y su equipo apareció recientemente en la revista PNAS y muestra cuán esclarecedores pueden ser tales experimentos. Los hallazgos de los investigadores sugieren que la comprensión de muchos geocientíficos del interior de la Tierra puede ser demasiado simplista.

Cambio dramático

Debajo de la corteza terrestre, que tiene solo unos pocos kilómetros de espesor, yace su manto. También de roca, esto rodea el núcleo del planeta, que comienza unos 2, 900 kilómetros por debajo de nosotros. Gracias a las señales sísmicas, sabemos que se produce un cambio dramático en el manto a una profundidad de alrededor de 660 kilómetros:aquí es donde el manto superior se encuentra con el manto inferior y las propiedades mecánicas de la roca comienzan a diferir, razón por la cual la velocidad de propagación de las ondas sísmicas cambia drásticamente en esta frontera.

Lo que no está claro es si esto es simplemente un borde físico o si la composición química de la roca también cambia en este punto. Muchos geocientíficos suponen que el manto de la Tierra en su conjunto está compuesto de forma relativamente consistente por roca rica en magnesio, que a su vez tiene una composición similar a la de la roca de peridotita que se encuentra en la superficie de la Tierra. Estos enviados del manto superior, que llegan a la superficie de la Tierra a través de eventos como erupciones volcánicas, exhiben una relación magnesio-silicio de ~ 1.3.

"La presunción de que la composición del manto de la Tierra es más o menos homogénea se basa en una hipótesis relativamente simple, "Explica Murakami." A saber, que las poderosas corrientes de convección dentro del manto, que también impulsan el movimiento de las placas tectónicas en la superficie de la Tierra, lo están mezclando constantemente. Pero es posible que este punto de vista sea demasiado simplista ".

¿Dónde está el silicio?

Realmente hay un defecto fundamental en esta hipótesis. En general, se acepta que la Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años a través de la acumulación de meteoritos que emergieron de la nebulosa solar primordial. y como tal tiene la misma composición general de esos meteoritos. La diferenciación de la Tierra en núcleo, manto y corteza sucedieron como parte de un segundo paso.

Dejando a un lado el hierro y el níquel, que ahora forman parte del núcleo del planeta, se hace evidente que el manto debería contener más silicio que la roca de peridotita. Basado en estos cálculos, el manto debe tener una relación magnesio-silicio más cercana a ~ 1 en lugar de ~ 1.3.

Esto lleva a los geocientíficos a plantearse la siguiente pregunta:¿dónde está el silicio que falta? Y hay una respuesta obvia:el manto de la Tierra contiene muy poco silicio porque está en el núcleo de la Tierra. Pero Murakami llega a una conclusión diferente, es decir, que el silicio está en el manto inferior. Esto significaría que la composición del manto inferior es diferente a la del manto superior.

Hipótesis sinuosa

La hipótesis de Murakami da algunos giros y vueltas:Primero, ya sabemos con precisión qué tan rápido viajan las ondas sísmicas a través del manto. Segundo, Los experimentos de laboratorio muestran que el manto inferior está compuesto principalmente por el mineral silíceo bridgmanita y el mineral ferropericlasa rico en magnesio. Tercera, sabemos que la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas depende de la elasticidad de los minerales que componen la roca. Entonces, si se conocen las propiedades elásticas de los dos minerales, es posible calcular las proporciones de cada mineral necesarias para correlacionarse con la velocidad observada de las ondas sísmicas. Entonces es posible derivar cuál debe ser la composición química del manto inferior.

Si bien se conocen las propiedades elásticas de la ferropericlasa, los de bridgmanita todavía no lo son. Esto se debe a que la elasticidad de este mineral depende en gran medida de su composición química; más específicamente, varía según la cantidad de hierro que contenga la bridgmanita.

Mediciones que requieren mucho tiempo

En su laboratorio, Murakami y su equipo ahora han realizado pruebas de alta presión en este mineral y han experimentado con diferentes composiciones. Los investigadores comenzaron sujetando una pequeña muestra entre dos puntas de diamante y usando un dispositivo especial para presionarlas juntas. Esto sometió la muestra a una presión extremadamente alta, similar a la que se encuentra en el manto inferior.

Luego, los investigadores dirigieron un rayo láser a la muestra y midieron el espectro de ondas de la luz dispersa en el otro lado. Usando los desplazamientos en el espectro de ondas, pudieron determinar la elasticidad del mineral a diferentes presiones. "Tomó mucho tiempo completar las mediciones, "Murakami informa." Dado que cuanto más bridgmanita de hierro contiene, menos permeable a la luz se vuelve, necesitábamos hasta quince días para completar cada medición individual ".

Silicio descubierto

Luego, Murakami utilizó los valores de medición para modelar la composición que mejor se correlaciona con la dispersión de las ondas sísmicas. Los resultados confirman su teoría de que la composición del manto inferior difiere de la del manto superior. "Estimamos que la bridgmanita constituye del 88 al 93 por ciento del manto inferior, "Murakami dice, "lo que le da a esta región una relación magnesio-silicio de aproximadamente 1,1". La hipótesis de Murakami resuelve el misterio del silicio perdido.

Pero sus hallazgos plantean nuevas preguntas. Sabemos, por ejemplo, que dentro de ciertas zonas de subducción, la corteza terrestre se hunde profundamente en el manto, a veces incluso hasta el borde del núcleo. Esto significa que los mantos superior e inferior en realidad no son entidades separadas herméticamente. Queda por ver cómo interactúan las dos áreas y exactamente cómo funciona la dinámica del interior de la Tierra para producir regiones del manto químicamente diferentes.