Un nuevo estudio desafía la teoría de la oxidación del manto

Una delgada porción de roca antigua recolectada en la cresta Gakkel, cerca del Polo Norte, fotografiada bajo un microscopio y vista bajo luz polarizada cruzada. Ancho de campo ~ 14 mm. El análisis de rocas de sección delgada ayuda a los geólogos a identificar y describir los minerales dentro de la roca. Los análisis revelan información sobre la composición mineralógica, la textura y la historia de la roca, como cómo se formó y los cambios posteriores que sufrió. Los investigadores utilizan la determinación de la composición química de los minerales de estas rocas antiguas del manto terrestre para determinar las condiciones en las que se derritieron. Copyright: E. Cottrell, Smithsonian

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

Investigadores del Museo Nacional de Historia Natural del Instituto 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 hallazgos mejoran nuestra comprensión de los procesos geológicos más antiguos 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 afirmaciones anteriores de otros investigadores sobre transformaciones importantes.

«Este estudio nos dice más sobre cómo este lugar especial en el que vivimos llegó a ser como es ahora, con su superficie e interior únicos que permitieron que existiera vida y agua líquida», dijo Elizabeth Cottrell, jefa del Departamento de Mineralogía 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 la Tierra y cómo evolucionó».

El estudio fue publicado en la revista naturaleza, se centra en un grupo de rocas extraídas del fondo del mar que poseen propiedades geoquímicas inusuales. En concreto, las rocas muestran evidencias de disolución extrema con niveles muy bajos de oxidación; La oxidación es cuando maíz O una 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 al menos 2.500 millones de años durante el período Arcaico. Además, los resultados muestran que el manto terrestre ha mantenido en general un estado de oxidación estable desde que se formaron estas rocas, en contraste con lo que otros geólogos habían supuesto anteriormente.

Una roca antigua fue extraída del fondo marino y estudiada por el equipo de investigación. Crédito de la foto: Tom Kleindienst.

«Las rocas antiguas que estudiamos están 10.000 veces menos oxidadas que las rocas típicas del manto moderno, y proporcionamos evidencia de que esto se debe al derretimiento en las profundidades de la Tierra durante la era Arcaica, cuando el manto estaba más caliente que hoy», dijo Cottrell. Otros explican los niveles más altos de oxidación observados en las rocas del manto actual sugiriendo que se produjo un evento de oxidación o alteración 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, Susan Berner, 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 rocas volcánicas modernas. rocas en el fondo del mar. Los investigadores comenzaron estudiando un grupo de rocas excavadas en el fondo marino en dos dorsales oceánicas donde las placas tectónicas divergen y el manto se mueve hacia la superficie y produce nueva corteza.

Los dos lugares de los que se recogieron las rocas estudiadas, la Cordillera Jackyll cerca del Polo Norte y la Cordillera del Sudoeste de la India entre África y la Antártida, se encuentran entre los límites de placas tectónicas de expansión más lenta del mundo. El lento ritmo de propagación en estas dorsales oceánicas significa que son relativamente tranquilas, desde el punto de vista volcánico, en comparación con las dorsales volcánicas de expansión más rápida, como la Cordillera del Pacífico Oriental. Esto significa que las rocas recolectadas de estas crestas de lenta expansión son probablemente muestras del propio manto.

La popa del buque de investigación R/V Knorr en el mar en 2004. El casco en forma de A sostiene el cubo de metal gigante y la cadena que 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 muestras geológicas. Derechos de autor: Emily Van Ark

Cuando el equipo analizó las rocas del manto que recogieron de estas dos crestas, descubrieron que compartían propiedades químicas extrañas. En primer lugar, las rocas se habían derretido en un grado mucho mayor de lo que es típico en las rocas del manto actual. En segundo lugar, las rocas estaban mucho menos oxidadas que la mayoría de las otras muestras de rocas del manto.

Para alcanzar este alto grado de fusión, los investigadores concluyeron que las rocas debieron haberse derretido en lo profundo del suelo 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. Así, los investigadores concluyeron que estas rocas del manto probablemente se derritieron durante el Eón Arcaico, cuando la temperatura del interior del planeta estaba entre 360 ​​y 540 grados. F (200-300 grados Celsius) más caluroso que hoy.

Ser altamente soluble protegería a estas rocas de un mayor derretimiento que podría cambiar 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, pero abre la puerta a la posibilidad de que estas muestras sirvan como verdaderas cápsulas del tiempo geológico que se remontan a la era Arcaica», dijo Cottrell.

Explicaciones científicas y conocimientos.

Para explorar escenarios geoquímicos que podrían explicar los bajos niveles de oxidación de las rocas recolectadas en Jackel Ridge y el suroeste de Indian Ridge, el equipo aplicó múltiples modelos a sus mediciones. Los modelos revelaron que los bajos niveles de oxidación que midieron en sus muestras probablemente fueron causados ​​por el derretimiento en condiciones extremadamente calientes en las profundidades de la Tierra.

Ambas líneas de evidencia han apoyado la interpretación de que las propiedades atípicas de las rocas representan una firma química resultante del derretimiento en las profundidades de la Tierra durante el Arcaico, cuando el manto era capaz de producir temperaturas extremadamente altas.

Anteriormente, algunos geólogos interpretaron las rocas del manto con bajos niveles de oxidación como evidencia de que el manto Arcaico estaba menos oxidado y que a través de algún mecanismo se había oxidado 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 química del manto. Pero hasta ahora, los defensores de este punto de vista no se han puesto de acuerdo en ninguna explicación única.

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 constante durante miles de millones de años, y que la baja oxidación observada en algunas muestras del manto surgió bajo condiciones geológicas que la Tierra ya no puede producir porque su manto desde entonces se ha enfriado. Entonces, en lugar de algún mecanismo que haga que el manto de la Tierra más oxidado durante miles de millones de años, y el nuevo estudio afirma que las altas temperaturas en la era Arcaica hicieron que partes del manto menos Debido a que la atmósfera de la Tierra se ha enfriado desde la era Arcaica, ya no es capaz de producir rocas con niveles de oxidación muy bajos. Cottrell dice que el proceso de enfriamiento de la atmósfera terrestre proporciona una explicación mucho más simple: la Tierra simplemente ya no produce rocas como lo hacía en el pasado.

Cottrell y sus colegas ahora están tratando de comprender mejor los procesos geoquímicos que formaron las rocas del manto Arcaico de la Cordillera Jackyll y la Cordillera del suroeste de la India simulando en el laboratorio las presiones y temperaturas extremadamente altas que se encuentran en las Arqueas.

Referencia: “Derretimiento antiguo, profundo y caliente registrado por oxigenación extremadamente baja en peridotita” por Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell y Fred A. Davis y Jessica M. Warren, 24 de julio de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s

Además de Berner y Cottrell, el estudio fue coautor de Fred Davis de la Universidad de Minnesota Duluth y Jessica Warren de la Universidad de Delaware.

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