Los científicos del Smithsonian están llevando a cabo nuevas investigaciones sobre rocas antiguas conocidas como «cápsulas del tiempo» que datan de al menos 2.500 millones de años.

Investigadores del Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian han realizado un nuevo análisis de rocas de al menos 2.500 millones de años, arrojando luz sobre la historia química del manto terrestre, la capa debajo de la corteza terrestre. Sus hallazgos mejoran nuestra comprensión de los primeros procesos geológicos de la Tierra y contribuyen a un debate científico de larga data sobre la historia geológica del planeta. En particular, el estudio proporciona evidencia de que el estado de oxidación de la mayor parte del manto de la Tierra se ha mantenido estable a lo largo del tiempo geológico, lo que pone en duda afirmaciones anteriores de otros investigadores sobre transiciones importantes.

«Este estudio nos dice más sobre cómo este lugar especial en el que vivimos se convirtió en lo que es hoy, con su superficie e interior únicos que permitieron que floreciera la vida y el agua líquida», dijo Elizabeth Cottrell, presidenta del departamento de ciencias minerales del museo. curador de la Colección Nacional de Rock y coautor del estudio. “Es parte de nuestra historia como seres humanos, porque todos nuestros orígenes se remontan a la formación de la Tierra y su evolución. »

El estudio, publicado en la revista Naturalezacentrado en un grupo de rocas extraídas del fondo marino y que poseen propiedades geoquímicas inusuales. De hecho, las rocas muestran signos de derretimiento extremo con niveles de oxidación muy bajos; La oxidación ocurre cuando átomo o una molécula pierde uno o más electrones durante una reacción química. Utilizando análisis y modelos adicionales, los investigadores utilizaron las propiedades únicas de estas rocas para demostrar que probablemente se remontan a al menos 2.500 millones de años, durante el Eón Arcaico. Además, los resultados muestran que el manto terrestre ha mantenido en general un estado de oxidación estable desde la formación de estas rocas, al contrario de lo que otros geólogos habían teorizado anteriormente.

Una roca antigua extraída del fondo marino y estudiada por el equipo de investigación. Crédito: Tom Kleindinst

«Las rocas antiguas que estudiamos están 10.000 veces menos oxidadas que las rocas modernas del manto, y demostramos que esto se debe a que se derritieron en las profundidades de la Tierra durante el Arcaico, cuando la capa era mucho más cálida de lo que es hoy», dijo Cottrell. “Otros investigadores han intentado explicar los niveles más altos de oxidación observados en las rocas del manto actuales sugiriendo que tuvo lugar un evento o cambio de oxidación entre el Arcaico y el presente. Nuestra evidencia sugiere que la diferencia en los niveles de oxidación puede explicarse simplemente por el hecho de que el manto de la Tierra se ha enfriado durante miles de millones de años y ya no está lo suficientemente caliente como para producir rocas con niveles de oxidación también bajos. »

Evidencia geológica y metodología de estudio.

El equipo de investigación, incluida la autora principal del estudio, Suzanne Birner, que completó su formación predoctoral en el Museo Nacional de Historia Natural y ahora es profesora asistente en el Berea College de Kentucky, comenzó su investigación para comprender la relación entre el manto sólido de la Tierra y las rocas volcánicas modernas del fondo marino. . Los investigadores comenzaron estudiando un grupo de rocas que fueron dragadas del fondo marino en dos dorsales oceánicas donde las placas tectónicas se están separando y el manto sube a la superficie y produce nueva corteza.

Los dos sitios donde se recolectaron las rocas de estudio, la Cordillera Gakkel cerca del Polo Norte y la Cordillera del Suroeste de la India entre África y la Antártida, son dos de los límites de placas tectónicas de expansión más lenta del mundo. La lenta expansión de estas dorsales oceánicas significa que son relativamente tranquilas, desde el punto de vista volcánico, en comparación con las dorsales de expansión más rápida que están salpicadas de volcanes como la Cordillera del Pacífico Oriental. Esto significa que es más probable que las rocas recolectadas de estas crestas de lenta expansión sean muestras del propio manto.

La popa del buque de investigación, el R/V Knorr, en el mar en 2004. La estructura en forma de A sostiene el cubo gigante de metal y cadena mientras se baja a más de 10,000 pies por debajo de la superficie del océano y se arrastra a lo largo del fondo marino para recolectar datos geológicos. muestras. Crédito: Emily Van Ark

Cuando el equipo analizó las rocas del manto que recogieron de estas dos crestas, descubrieron que tenían extrañas propiedades químicas en común. En primer lugar, las rocas se habían derretido en una proporción mucho mayor que la que caracteriza al manto terrestre actual. En segundo lugar, las rocas estaban mucho menos oxidadas que la mayoría de las otras muestras del manto terrestre.

Para lograr este grado de fusión, los investigadores estimaron que las rocas debieron haberse derretido en las profundidades de la Tierra a temperaturas muy altas. El único período en la historia geológica de la Tierra que se sabe que incluyó temperaturas tan altas fue hace entre 2.500 y 4.000 millones de años, durante el Eón Arcaico. Por lo tanto, los investigadores dedujeron que estas rocas del manto pudieron haberse derretido durante el Arcaico, cuando el interior del planeta estaba entre 360 ​​y 540 grados. Fahrenheit (200–300 grados Celsius) hace más calor que hoy.

Estar tan extremadamente fundidas habría protegido a estas rocas de un mayor derretimiento que podría haber alterado su firma química, permitiéndoles circular en el manto de la Tierra durante miles de millones de años sin cambiar significativamente su química.

«Este hecho por sí solo no prueba nada», dijo Cottrell. “Pero abre la puerta a la posibilidad de que estas muestras sean verdaderas cápsulas del tiempo geológico del Arcaico. »

Interpretación y conocimiento científico.

Para investigar escenarios geoquímicos que podrían explicar los bajos niveles de oxidación en las rocas recolectadas en Gakkel Ridge y Southwest Indian Ridge, el equipo aplicó varios modelos a sus mediciones. Los modelos revelaron que los bajos niveles de oxidación medidos en sus muestras pueden haber sido causados ​​por el derretimiento bajo condiciones de calor extremo en las profundidades de la Tierra.

Ambas líneas de evidencia apoyan la interpretación de que las propiedades atípicas de las rocas representan una firma química de su fusión en las profundidades de la Tierra durante el Arcaico, cuando el manto podía producir temperaturas extremadamente altas.

Algunos geólogos han interpretado las rocas del manto con bajos niveles de oxidación como evidencia de que el manto de la Tierra Arcaica estaba menos oxidado y que, a través de algún mecanismo, se oxidaba más con el tiempo. Los mecanismos de oxidación propuestos incluyen un aumento gradual de los niveles de oxidación debido a la pérdida de gas al espacio, el reciclaje de antiguos fondos marinos por subducción y la participación continua del núcleo de la Tierra en la geoquímica del manto. Pero, hasta la fecha, los defensores de esta teoría no se han puesto de acuerdo en una sola explicación.

En cambio, los nuevos hallazgos apoyan la idea de que el nivel de oxidación en el manto de la Tierra se ha mantenido en gran medida estable durante miles de millones de años, y que la baja oxidación observada en algunas muestras del manto se creó en condiciones geológicas que la Tierra ya no puede producir debido a su estado. El manto se ha enfriado desde entonces. Entonces, en lugar de un mecanismo que crea el manto de la Tierra Más Oxidado durante miles de millones de años, el nuevo estudio sostiene que las altas temperaturas arcaicas transformaron partes del manto menos óxido. Como el manto de la Tierra se ha enfriado desde el Arcaico, ya no puede producir rocas con niveles de oxidación extremadamente bajos. Según Cottrell, el proceso de enfriamiento en el manto de la Tierra proporciona una explicación mucho más simple: la Tierra simplemente ya no produce rocas como antes.

Cottrell y sus colaboradores ahora están tratando de comprender mejor los procesos geoquímicos que dieron forma a las rocas del manto Arcaico de Gakkel Ridge y Southwest Indian Ridge simulando en el laboratorio las presiones y temperaturas extremadamente altas observadas durante el Arcaico.

Referencia: “Derretimiento antiguo, profundo y caliente registrado por fugacidad de oxígeno ultrabaja en peridotitas” por Suzanne K. Birner, Elizabeth Cottrell, Fred A. Davis y Jessica M. Warren, 24 de julio de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07603-w

Además de Birner y Cottrell, Fred Davis de la Universidad de Minnesota Duluth y Jessica Warren de la Universidad de Delaware fueron coautores del estudio.

La investigación fue apoyada por el Smithsonian y la Fundación Nacional de Ciencias.