Los continentes son parte de lo que hace que la Tierra sea excepcionalmente habitable para la vida entre los planetas del sistema solar, pero sorprendentemente se sabe muy poco acerca de lo que dio origen a estos enormes pedazos de la corteza del planeta y sus propiedades especiales. Una nueva investigación de Elizabeth Cottrell, geóloga investigadora y curadora de rocas en el Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian, y la autora principal del estudio, Megan Holycross, ex becaria Peter Buck y becaria de la Fundación Nacional de Ciencias en el museo y ahora profesora asistente en la Universidad de Cornell, profundiza la comprensión de la corteza terrestre al probar y, en última instancia, eliminar una hipótesis popular sobre por qué la corteza continental tiene menos hierro y está más oxidada en comparación con la corteza oceánica. La composición pobre en hierro de la corteza continental es una de las principales razones por las que vastas porciones de la superficie de la Tierra se encuentran sobre el nivel del mar como tierra seca, lo que hace posible la vida terrestre en la actualidad.
El estudio, publicado hoy en Cienciautiliza experimentos de laboratorio para demostrar que la química oxidada y empobrecida en hierro típica de la corteza continental de la Tierra probablemente no provino de la cristalización del mineral granate, como una explicación popular propuesta en 2018.
Los bloques de construcción de la nueva corteza continental surgen de las profundidades de la Tierra en lo que se conoce como volcanes de arco continentales, que se encuentran en las zonas de subducción donde una placa oceánica se sumerge debajo de una placa continental. En la explicación del granate para el estado oxidado y empobrecido en hierro de la corteza continental, la cristalización del granate en los magmas debajo de estos volcanes de arco continental elimina el hierro no oxidado (reducido o ferroso, como se le conoce entre los científicos) de las placas terrestres, agotando simultáneamente el magma fundido del hierro y dejándolo más oxidado.
Una de las consecuencias clave del bajo contenido de hierro de la corteza continental de la Tierra en relación con la corteza oceánica es que hace que los continentes sean menos densos y más flotantes, lo que hace que las placas continentales se asienten más alto sobre el manto del planeta que las placas oceánicas. Esta discrepancia en la densidad y la flotabilidad es una de las principales razones por las que los continentes tienen tierra seca mientras que las cortezas oceánicas están bajo el agua, así como por qué las placas continentales siempre salen a la superficie cuando se encuentran con las placas oceánicas en las zonas de subducción.
La explicación granate para el agotamiento y la oxidación del hierro en los magmas del arco continental fue convincente, pero Cottrell dijo que un aspecto no le sentaba bien.
«Se necesitan altas presiones para que el granate se estabilice, y se encuentra este magma con bajo contenido de hierro en lugares donde la corteza no es tan gruesa y, por lo tanto, la presión no es muy alta», dijo.
En 2018, Cottrell y sus colegas se propusieron encontrar una manera de probar si la cristalización del granate en las profundidades de estos volcanes de arco es realmente esencial para el proceso de creación de la corteza continental tal como se entiende. Para lograr esto, Cottrell y Holycross tuvieron que encontrar formas de replicar el intenso calor y la presión de la corteza terrestre en el laboratorio, y luego desarrollar técnicas lo suficientemente sensibles para medir no solo la cantidad de hierro presente, sino también para diferenciar si ese hierro estaba oxidado. .
Para recrear la presión y el calor masivos que se encuentran debajo de los volcanes de arco continental, el equipo utilizó lo que se conoce como prensas de pistón-cilindro en el Laboratorio de Alta Presión del museo y en Cornell. Una prensa hidráulica de pistón y cilindro tiene aproximadamente el tamaño de una mini nevera y está hecha principalmente de acero increíblemente grueso y resistente y carburo de tungsteno. La fuerza aplicada por un ariete hidráulico grande da como resultado presiones muy altas en muestras de roca diminutas, de aproximadamente un milímetro cúbico de tamaño. El conjunto consta de aisladores eléctricos y térmicos que rodean la muestra de roca, así como un horno cilíndrico. La combinación de la prensa de pistón-cilindro y el conjunto de calentamiento permite experimentos que pueden alcanzar las presiones y temperaturas muy altas que se encuentran debajo de los volcanes.
En 13 experimentos diferentes, Cottrell y Holycross cultivaron muestras de granate de roca fundida dentro de la prensa de pistón-cilindro bajo presiones y temperaturas diseñadas para simular las condiciones dentro de las cámaras de magma en las profundidades de la corteza terrestre. Las presiones utilizadas en los experimentos variaron de 1,5 a 3 gigapascales, es decir, aproximadamente de 15 000 a 30 000 atmósferas terrestres de presión o 8 000 veces más presión que dentro de una lata de refresco. Las temperaturas oscilaron entre 950 y 1230 grados centígrados, que es lo suficientemente caliente como para derretir rocas.
A continuación, el equipo recolectó granates de la Colección Nacional de Rocas del Smithsonian y de otros investigadores de todo el mundo. Fundamentalmente, este grupo de granates ya se había analizado, por lo que se conocían sus concentraciones de hierro oxidado y no oxidado.
Finalmente, los autores del estudio llevaron los materiales de sus experimentos y los recopilados de las colecciones a la Fuente de fotones avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. en Illinois. Allí, el equipo utilizó haces de rayos X de alta energía para realizar espectroscopia de absorción de rayos X, una técnica que puede informar a los científicos sobre la estructura y composición de los materiales en función de cómo absorben los rayos X. En este caso, los investigadores estaban investigando las concentraciones de hierro oxidado y no oxidado.
Las muestras con proporciones conocidas de hierro oxidado y no oxidado proporcionaron una forma de verificar y calibrar las mediciones de espectroscopia de absorción de rayos X del equipo y facilitaron una comparación con los materiales de sus experimentos.
Los resultados de estas pruebas revelaron que los granates no habían incorporado suficiente hierro no oxidado de las muestras de roca para dar cuenta de los niveles de agotamiento y oxidación del hierro presentes en los magmas que son los componentes básicos de la corteza continental de la Tierra.
«Estos resultados hacen que el modelo de cristalización del granate sea una explicación extremadamente improbable de por qué los magmas de los volcanes de arco continental se oxidan y se agotan en hierro», dijo Cottrell. «Es más probable que las condiciones en el manto de la Tierra debajo de la corteza continental estén provocando estas condiciones oxidadas».
Como tantos resultados en la ciencia, los hallazgos conducen a más preguntas: «¿Qué está causando la oxidación o el agotamiento del hierro?» preguntó Cottrell. «Si no es la cristalización de granate en la corteza y se trata de cómo llegan los magmas desde el manto, entonces, ¿qué está sucediendo en el manto? ¿Cómo se modificaron sus composiciones?»
Cottrell dijo que estas preguntas son difíciles de responder, pero que ahora la teoría principal es que el azufre oxidado podría estar oxidando el hierro, algo que una actual becaria Peter Buck está investigando bajo su tutoría en el museo.
Este estudio es un ejemplo del tipo de investigación que los científicos del museo abordarán bajo la nueva iniciativa Our Unique Planet del museo, una asociación público-privada, que apoya la investigación de algunas de las preguntas más duraderas y significativas sobre lo que hace que la Tierra sea especial. Otra investigación investigará la fuente de los océanos líquidos de la Tierra y cómo los minerales pueden haber servido como modelos para la vida.
Esta investigación fue apoyada por fondos del Smithsonian, la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Energía y la Fundación Lyda Hill.
