Cómo los antiguos microorganismos ayudaron a causar eventos volcánicos masivos

Rangos metamórficos de formación de hierro del sur de Wyoming que muestran una buena laminación. La roca tiene aproximadamente 2.700 millones de años. Las bandas oscuras son óxidos de hierro (óxido de hierro magnético, hematita) y las bandas de color rojo anaranjado están veteadas con óxido de hierro (jaspe). Crédito: Linda Welzenbach Fries/Universidad de Rice

Una nueva investigación sugiere que los microorganismos antiguos ayudaron a impulsar eventos volcánicos masivos.

Las formaciones de bandas de hierro y las rocas sedimentarias con impresionantes capas de color naranja, amarillo, plateado, marrón y negro azulado quemado pueden ser el catalizador de algunas de las erupciones volcánicas más grandes de la historia en la Tierra, según una investigación reciente de la Universidad de Rice.

Estas rocas consisten en óxidos de hierro que se hundieron en el fondo del océano hace mucho tiempo y se endurecieron en capas densas con el tiempo. El estudio recién publicado en Ciencias Naturales de la Tierra Se sugiere que estas capas ricas en hierro pueden actuar como un puente que conecta los cambios superficiales antiguos, como el surgimiento de la vida fotosintética, con procesos planetarios como el vulcanismo y la tectónica de placas.

Además de conectar procesos planetarios que generalmente se pensaba que estaban desconectados, el estudio podría replantear la comprensión de los científicos sobre la historia temprana de la Tierra y proporcionar información sobre los procesos que podrían producir exoplanetas habitables mucho más allá de nuestro sistema solar.

“Estas rocas cuentan, literalmente, la historia del entorno planetario cambiante”, dijo Duncan Keeler, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias Planetarias, Ambientales y de la Tierra en Rice. «Encarnan un cambio en la química de la atmósfera y los océanos».

Duncan Keller es investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias Planetarias, Ambientales y de la Tierra en Rice y autor principal del estudio publicado en Nature Geoscience. Crédito: Jeff Vitlow/Universidad Rice

Las formaciones de hierro en bandas son depósitos químicos depositados directamente de agua de mar antigua rica en hierro disuelto. Acciones metabólicas de microorganismos, incl. Fotosíntesis, se cree que facilitó la precipitación de minerales, que formaron capa sobre capa con el tiempo junto con el pedernal (dióxido de silicio microcristalino). Los depósitos más grandes se formaron cuando el oxígeno se acumuló en la atmósfera de la Tierra hace unos 2.500 millones de años.

«Estas rocas se formaron en océanos antiguos, y sabemos que esos océanos luego se cerraron lateralmente por procesos de placas tectónicas», explicó Keller.

Aunque el manto es sólido, fluye como un líquido a la velocidad de crecimiento de una uña. Las placas tectónicas, secciones de la corteza y el manto superior del tamaño de un continente, están en constante movimiento, en gran parte como resultado de las corrientes de convección en el manto. Los procesos tectónicos de la Tierra controlan los ciclos de vida de los océanos.

«Así como el Océano Pacífico se está cerrando hoy, se está derrumbando bajo Japón y América del Sur, las antiguas cuencas oceánicas han sido destruidas tectónicamente», dijo. «Estas rocas son empujadas hacia los continentes y preservadas, y vemos algunas de ellas preservadas, y de ahí provienen las rocas que estamos viendo hoy, o subducidas al manto».

Formación de bandas metamórficas de hierro de Hammersley Range en Australia Occidental. La roca tiene aproximadamente 2.500 millones de años. Las bandas oscuras son óxidos de hierro (hematita, magnetita), las bandas rojizas tienen inclusiones de óxido de hierro (jaspe) y las bandas doradas son anfíboles y cuarzo. Muestra recolectada por Sin Tae Lee. Crédito: Linda Welzenbach Fries/Universidad de Rice

Debido a su mayor contenido de hierro, las formaciones de hierro en bandas son mucho más densas que el manto, lo que hizo que Keeler se preguntara si las partes sobresalientes de las formaciones se hundieron por completo y se asentaron en la región más baja del manto cerca de la parte superior del núcleo de la Tierra. Allí, bajo una enorme temperatura y presión, habrían sufrido profundos cambios a medida que sus minerales adquirieron diferentes estructuras.

«Hay un trabajo muy interesante sobre las propiedades de los óxidos de hierro en estas condiciones», dijo Keller. «Pueden volverse altamente conductivos tanto térmica como eléctricamente. Algunos conducen el calor tan fácilmente como lo hacen los minerales. Por lo tanto, es posible que estas rocas, una vez en el manto inferior, puedan convertirse en grupos altamente conductivos como placas calientes».

Keller y sus colegas plantean la hipótesis de que las regiones enriquecidas en las formaciones submarinas de hierro pueden ayudar a formar penachos del manto, canales de roca caliente que se elevan por encima de las anomalías térmicas en el manto inferior y que pueden producir supervolcanes como los que formaron las islas hawaianas. «Bajo Hawái, los datos sísmicos nos muestran un canal caliente de agua del manto que surge», dijo Keller. «Imagine un punto caliente en su estufa. Cuando hierva el agua en su olla, verá más burbujas sobre una columna de agua que se eleva en esa área. Las plumas del manto son una especie de versión gigante de eso».

Formación de bandas metamórficas de hierro del sur de Wyoming que muestran deformación y plegamiento. La roca tiene aproximadamente 2.700 millones de años. Las bandas oscuras son óxidos de hierro (magnetita, hematita) y las bandas amarillo-naranja están saturadas con óxido de hierro (jaspe). Crédito: Linda Welzenbach Fries/Universidad de Rice

«Observamos las edades de depósito de formaciones de hierro en bandas y las edades de grandes eventos eruptivos basálticos llamados grandes provincias ígneas, y encontramos que existe una correlación», dijo Keller. «Varios eventos ígneos, tan masivos que 10 o 15 más grandes podrían haber sido suficientes para resurgir en la superficie de todo el planeta, fueron precedidos por la deposición de formación de bandas de hierro a intervalos de aproximadamente 241 millones de años, más o menos 15 millones. Es una fuerte correlación con un mecanismo lógico».

El estudio mostró que hay un período de tiempo razonable para que las formaciones de hierro de bandas profundas primero ingresen al manto inferior y luego influyan en el flujo de calor para impulsar una columna hacia la superficie de la Tierra a miles de kilómetros de altura.

En sus esfuerzos por rastrear el vuelo de las formaciones de bandas de hierro, Keeler ha trascendido los límites disciplinarios y se ha encontrado con ideas inesperadas.

«Si lo que estaba sucediendo en los primeros océanos, después de que los microorganismos alteraran químicamente los ambientes de la superficie, finalmente condujo a flujos de lava masivos en otras partes de la Tierra 250 millones de años después, entonces significa que estos procesos están relacionados y ‘hablando’ entre sí. También significa que los procesos relacionados podrían tener escalas de longitud mucho mayores de lo que la gente esperaba. Para poder concluir esto, tuvimos que basarnos en datos de muchos campos diferentes en mineralogía, geoquímica, geofísica y sedimentología».

Keller espera que el estudio estimule más investigaciones. «Espero que esto sea una motivación para las personas en los diversos campos que toca», dijo. «Creo que sería realmente genial si esto hiciera que las personas hablaran entre sí de formas renovadas sobre cómo están conectadas las diferentes partes del sistema de la Tierra».

Keller es parte de Planetas puros: ciclos de elementos volátiles esenciales para la vida en planetas rocosos programa, un grupo multidisciplinario y multiinstitucional de científicos dirigido por Rajdeep Dasgupta, Profesor Rice W. Morris Ewing de Ciencias de Sistemas Terrestres en el Departamento de Ciencias Planetarias, Ambientales y de la Tierra.

«Esta es una colaboración muy interdisciplinaria que analiza cómo los elementos volátiles importantes para la biología (carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre) se comportan en los planetas, cómo los planetas adquieren estos elementos y qué papel juegan en hacer que los planetas sean habitables», dijo Keller.

Añadió: «Estamos usando la Tierra como nuestro mejor ejemplo, pero estamos tratando de averiguar qué podría significar la presencia o ausencia de uno o algunos de estos elementos para los planetas en general».

Referencia: «Enlaces entre el gran vulcanismo volcánico del condado y las formaciones de arcos ferrosos» por Duncan S. Ciencias Naturales de la Tierra.
DOI: 10.1038/s41561-023-01188-1

El estudio fue financiado por NASA y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.