Una delgada porción de rocas antiguas recolectadas en Gakkel Ridge, cerca del Polo Norte, fotografiadas bajo un microscopio y vistas con luz de polarización cruzada. Ancho de campo ~ 14 mm. El análisis de rocas en secciones delgadas ayuda a los geólogos a identificar y caracterizar minerales dentro de una roca. Los análisis revelan información sobre la composición mineral, la textura y la historia de la roca, cómo se formó y los cambios posteriores que ha sufrido. Los investigadores utilizan la identificación y composición química de los minerales de estas rocas antiguas del manto terrestre para determinar las condiciones en las que se derritieron. Crédito: E. Cottrell, Smithsonian
Los científicos del Smithsonian están realizando 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 que se cree que tienen al menos 2.500 millones de años, arrojando luz sobre la historia química del manto de la Tierra, la capa debajo de la corteza del planeta. Sus descubrimientos 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, desafiando las afirmaciones anteriores de otros investigadores sobre transiciones importantes.
«Este estudio nos dice más sobre cómo este lugar especial en el que vivimos llegó a ser como es, con su superficie e interior únicos que permitieron que existiera vida y 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 humanos porque todos nuestros orígenes se remontan a cómo se formó y evolucionó la Tierra».
El estudio, publicado en la revista Naturalezacentrado en un grupo de rocas recolectadas del fondo marino que poseían propiedades geoquímicas inusuales. Es decir, las rocas muestran evidencias de haberse derretido en un grado extremo con niveles de oxidación muy bajos; La oxidación es cuando un átomo o molécula pierde uno o más electrones en una reacción química. Con la ayuda de análisis y modelos adicionales, los investigadores utilizaron las propiedades únicas de estas rocas para demostrar que probablemente se remontan a hace al menos 2.500 millones de años, durante el Eón Arcaico. Además, los hallazgos muestran que el manto de la Tierra generalmente ha mantenido un estado de oxidación estable desde que se formaron estas rocas, en contraste con lo que otros geólogos han teorizado anteriormente.
Una roca antigua dragada 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 típicas del manto moderno, y presentamos evidencia de que esto se debe a que se derritieron profundamente en la Tierra durante el Arcaico, cuando el manto estaba mucho más caliente de lo que está hoy», dijo Cottrell. “Otros investigadores han intentado explicar los niveles más altos de oxidación observados en las rocas del manto actuales sugiriendo que se produjo un evento o cambio de oxidación entre el Arcaico y la actualidad. 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 tan bajos”.
Evidencia geológica y metodología de estudio.
El equipo de investigación, incluida la autora principal del estudio, Suzanne Birner, quien completó una beca predoctoral en el Museo Nacional de Historia Natural y ahora es profesora asistente en el Berea College en Kentucky, comenzó su investigación para comprender la relación entre el manto sólido de la Tierra y las modernas rocas volcánicas del fondo del mar. Los investigadores comenzaron estudiando un grupo de rocas que fueron dragadas del fondo marino en dos dorsales en medio del océano donde las placas tectónicas se están extendiendo y el manto se agita hacia la superficie y produce nueva corteza.
Los dos lugares de los que se recogieron las rocas estudiadas, 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. El lento ritmo de expansión en estas dorsales en medio del océano significa que son relativamente tranquilas, desde el punto de vista volcánico, en comparación con las cadenas montañosas de expansión más rápida y salpicadas de volcanes, como la Cordillera del Pacífico Oriental. Esto significa que es más probable que las rocas recolectadas de estas cadenas montañosas que se extienden lentamente 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 debajo de la superficie del océano y se arrastra a lo largo del fondo desde el mar. para recolectar muestras geológicas. 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 un grado mucho mayor de lo que es típico en el manto de la Tierra en la actualidad. En segundo lugar, las rocas estaban mucho menos oxidadas que la mayoría de las otras muestras del manto terrestre.
Para lograr un grado tan alto de fusión, los investigadores razonaron que las rocas debían haberse derretido en las profundidades de la Tierra a temperaturas muy altas. El único período de 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. En consecuencia, los investigadores dedujeron que estas rocas del manto pueden haberse derretido durante el Arcaico, cuando el interior del planeta tenía entre 360 y 540 grados. Fahrenheit (200–300 grados Celsius) más cálido que hoy.
Estar tan extremadamente fundidas habría protegido a estas rocas de una mayor fusión, lo que podría haber alterado su firma química, permitiéndoles circular en el manto de la Tierra durante miles de millones de años sin alterar significativamente su química.
«Este hecho por sí solo no prueba nada», dijo Cottrell. «Pero abre la puerta a que estas muestras sean auténticas cápsulas del tiempo geológico Arcaico».
Interpretación y conocimientos científicos
Para explorar escenarios geoquímicos que podrían explicar los bajos niveles de oxidación de 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 en condiciones extremadamente calientes en las profundidades de la Tierra.
Ambas líneas de evidencia apoyaron la interpretación de que las propiedades inusuales de las rocas representaban una firma química de su fusión en las profundidades de la Tierra durante el Arcaico, cuando el manto podía producir temperaturas extremadamente altas.
Anteriormente, algunos geólogos interpretaron 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 gases al espacio, el reciclaje del antiguo fondo marino por subducción y la participación continua del núcleo de la Tierra en la geoquímica del manto. Pero hasta la fecha, los defensores de esta visión no se han unido detrás de ninguna explicación.
En cambio, los nuevos hallazgos respaldan la opinión de que el nivel de oxidación en el manto de la Tierra ha sido 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 en las que la Tierra no puede producir más porque su manto tiene. desde que se enfrió. Entonces, en lugar de que algún mecanismo haga que el manto de la Tierra más oxidado durante miles de millones de años, el nuevo estudio sostiene que las altas temperaturas Arcaicas causaron que partes del manto se oxidaran menos oxidado. A medida que el manto de la Tierra se ha enfriado desde el Arcaico, ya no puede producir rocas con niveles de oxidación súper bajos. Cottrell dijo que el proceso de enfriamiento del manto del planeta proporciona una explicación mucho más simple: la Tierra simplemente ya no produce rocas como antes.
Cottrell y sus colaboradores ahora buscan comprender mejor los procesos geoquímicos que dieron forma a las rocas del manto Arcaico de la Cordillera Gakkel y la Cordillera del Sudoeste de la India simulando en el laboratorio las presiones y temperaturas extremadamente altas que se encuentran en 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.
