Una nueva investigación del Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian y la Universidad de Cornell, en Estados Unidos, ha profundizado en el conocimiento de la corteza terrestre al poner a prueba y, en última instancia, eliminar una hipótesis muy extendida sobre por qué la corteza continental es más pobre en hierro y está más oxidada que la oceánica.
La composición pobre en hierro de la corteza continental es una de las principales razones por las que vastas porciones de la superficie terrestre se alzan sobre el nivel del mar como tierra seca, haciendo posible la vida terrestre en la actualidad.
El estudio, publicado en la revista Science, utiliza experimentos de laboratorio para demostrar que la química oxidada y pobre 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 continentes son parte de lo que hace que la Tierra sea un lugar único para la vida entre los planetas del sistema solar, pero, sorprendentemente, se sabe muy poco sobre lo que dio lugar a estas enormes piezas de la corteza del planeta y sus propiedades especiales.
La nueva investigación de Elizabeth Cottrell, geóloga investigadora y conservadora de rocas en el Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian, y de Megan Holycross, autora principal del estudio, anteriormente becaria Peter Buck y de la Fundación Nacional de Ciencias en el museo y ahora profesora adjunta en la Universidad de Cornell, elimina una hipótesis popular sobre por qué la corteza continental tiene menos hierro y está más oxidada que la oceánica.
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 continental, que se encuentran en zonas de subducción donde una placa oceánica se sumerge bajo una placa continental.
En la explicación del granate para el estado oxidado y sin hierro de la corteza continental, la cristalización del granate en los magmas bajo estos volcanes de arco continental elimina el hierro no oxidado (reducido o ferroso, como se conoce entre los científicos) de las placas terrestres, agotando simultáneamente el hierro del magma fundido y dejándolo más oxidado.
Una de las principales consecuencias 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 provoca que las placas continentales se asienten a mayor altura 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 presentan tierra firme mientras que las costras oceánicas están bajo el agua, así como la razón por la que las placas continentales siempre salen al encuentro de las placas oceánicas en las zonas de subducción.
La explicación del agotamiento y la oxidación del hierro en los magmas de los arcos continentales basada en el granate era convincente, pero Cottrell dijo que había un aspecto que no le cuadraba. “Se necesitan altas presiones para que el granate sea estable, y este magma con bajo contenido en hierro se encuentra en lugares donde la corteza no es tan gruesa y, por tanto, la presión no es tan alta”, explica.
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 como se entiende.
Para lograrlo, 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 como para medir no solo cuánto hierro estaba presente, sino para diferenciar si ese hierro estaba oxidado.
Para recrear la presión y el calor masivos que se encuentran bajo los volcanes de arco continental, el equipo utilizó lo que se denomina prensas de pistón-cilindro en el Laboratorio de Alta Presión del museo y en Cornell. Una prensa hidráulica de pistón-cilindro tiene el tamaño aproximado de un mini frigorífico, y está fabricada en su mayor parte con acero y carburo de tungsteno increíblemente gruesos y resistentes.
La fuerza aplicada por un gran ariete hidráulico produce presiones muy elevadas en muestras de roca diminutas, de aproximadamente un milímetro cúbico. El conjunto consta de aislantes eléctricos y térmicos que rodean la muestra de roca, así como de un horno cilíndrico. La combinación de la prensa de pistón-cilindro y el conjunto calefactor permite realizar experimentos que pueden alcanzar las altísimas presiones y temperaturas que se encuentran bajo los volcanes.
En 13 experimentos diferentes, Cottrell y Holycross cultivaron muestras de granate a partir de roca fundida en el interior de la prensa de pistón-cilindro a presiones y temperaturas diseñadas para simular las condiciones existentes en el interior de las cámaras magmáticas de las profundidades de la corteza terrestre.
Las presiones utilizadas en los experimentos oscilaron entre 1,5 y 3 gigapascales, es decir, entre 15.000 y 30.000 atmósferas terrestres de presión, 8.000 veces más presión que en el interior de una lata de refresco. Las temperaturas oscilaron entre 950 y 1.230 grados Celsius, lo bastante para fundir rocas.
A continuación, el equipo recogió granates de la Colección Nacional de Rocas del Smithsonian y de otros investigadores de todo el mundo. Este grupo de granates ya había sido analizado, por lo que se conocían sus concentraciones de hierro oxidado y no oxidado.
Por último, llevaron los materiales de sus experimentos y los procedentes de colecciones a la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos, donde usaron haces de rayos X de alta energía para llevar a cabo la espectroscopia de absorción de rayos X, una técnica que puede informar a los científicos sobre la estructura y composición de los materiales basándose en cómo absorben los rayos X.
Las muestras con proporciones conocidas de hierro oxidado y no oxidado sirvieron para comprobar y calibrar las mediciones de espectroscopia de absorción de rayos X del equipo y facilitaron la 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 como para dar cuenta de los niveles de agotamiento y oxidación del hierro presentes en los magmas que forman 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 están oxidados y agotados en hierro —afirma Cottrell—. Es más probable que las condiciones en el manto de la Tierra por debajo de la corteza continental establezcan estas condiciones oxidadas”.
Como tantos otros resultados de la ciencia, los hallazgos suscitan más preguntas como “¿qué está oxidando o agotando el hierro?”, señala Cottrell. “Si no es la cristalización del granate en la corteza y se trata de algo relacionado con la forma en que llegan los magmas desde el manto, entonces qué está ocurriendo en el manto”.
Cottrell reconoce 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 un becario actual de Peter Buck está investigando bajo su tutoría en el museo.
Europa Press
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