Un mineral sorprendentemente suave puede controlar cómo la Tierra recicla la roca

Los eventos geológicos que vemos en la superficie de la Tierra, como montañas, volcanes y terremotos, son expresiones de los procesos que ocurren en las profundidades de nuestro planeta. Aquí en la corteza terrestre, somos parte de un sistema de cinta transportadora llamado tectónica de placas en el que la corteza antigua en los márgenes del océano es empujada hacia atrás bajo tierra, debajo de los continentes, hacia el manto.

A medida que esta corteza se adentra más en la Tierra, algunos de los minerales de las rocas cambian debido a las altas temperaturas y presiones del manto. Una nueva investigación realizada por el geólogo Lowell Miyagi de la Universidad de Utah y sus colegas encuentra que uno de estos minerales del manto se encuentra entre los minerales más débiles del interior de la Tierra.

Es un mineral difícil de estudiar, pero la investigación muestra que es unas 1000 veces más suave que la mayoría de las otras partes del manto. Esto es importante para comprender qué sucede con las placas de roca cuando se hunden en el suelo, lo que a su vez nos enseña cómo y por qué se producen terremotos y volcanes en la superficie.

«Queremos comprender las propiedades mecánicas de todas estas rocas y minerales porque eso es lo que determina cómo se comportará la losa a medida que se hunde en el suelo», dice Miyagi, profesor asociado de geología y geofísica.

El estudio fue publicado en naturaleza.

Placas tectónicas por encima y por debajo del suelo

La corteza terrestre está hecha de placas, grandes porciones de la corteza que, en nuestra percepción, parecen ser inmutables y eternas. Las placas que forman los océanos comienzan cuando el magma se eleva en el centro de la placa en un lugar llamado, para describirlo, «la Dorsal del Medio Océano». Ese magma se convierte en basalto, similar a las rocas ígneas negras que vemos en erupción desde los volcanes de Hawai.

A medida que el magma continúa ascendiendo, la placa se expande, empujando la vieja corteza de basalto hacia los lados. Cada placa choca con sus vecinas y, a medida que forma la corteza oceánica, que es más densa que la corteza de los continentes, es empujada hacia el manto. Es un proceso llamado subducción.

A continuación, nuestras mejores pistas sobre el destino de esta corteza reciclada provienen de nuestras lecturas de ondas sísmicas, generadas por terremotos, que viajan por el interior de la Tierra.

«Es un poco como cuando vas al médico para una ecografía de un bebé», dice Miyagi. «En este caso las olas son más grandes y el bebé (tierra) es más grande».

Las ondas sísmicas viajan a través de diferentes materiales a diferentes velocidades, por lo que cuando las ondas sísmicas muestran algo inusual, los geólogos se dan cuenta y naturalmente se preguntan: ¿de qué está hecho? Una de esas incógnitas notables es una característica en el límite entre el manto y el núcleo conocida como Interrupción de velocidad de cizallamiento bajo grande, o LLSVP. Hay dos tipos: uno bajo el Océano Pacífico y el otro bajo África. Es enorme: el condado bajo el Océano Pacífico tiene aproximadamente 1800 millas (3000 kilómetros) de ancho, más o menos la distancia entre Salt Lake City y Washington, D.C. Es largo, tal vez tan alto como 600 millas (1000 kilómetros). Esto es más de 100 veces la altura del Monte Everest.

(Los bordes de estos condados están marcados por zonas de muy baja velocidad, o ULVZ, que se presentaron en un estudio U anterior aquí.)

Los geólogos creían anteriormente que estas provincias eran más calientes que la roca circundante y que pueden ser la fuente de algunas características volcánicas, como las islas de Hawái o la zona del Rift de África Oriental. “Aunque recientemente la gente ha estado pensando que estas rocas son un tipo diferente de manto”, dice Miyagi. “Entonces la pregunta es: ¿Qué tipo de rocas tienen y cómo se amontonan allí?”.

conoce a davemaoite

Un candidato es el mineral davemaoita, con la fórmula química CaSiO₃. Es parte de una clase de minerales llamados perovskita. Las placas de roca hundidas son ricas en dafamoita (hasta un 30%), y el resto del manto no contiene mucha. Entonces, si bien es importante conocer las propiedades mecánicas de la dafemaita, como cómo se dobla o estira en el manto, para saber cómo la Tierra recicla el material desde la superficie hasta el interior profundo, ha sido un mineral desafiante para estudiar. ¿Por qué?

«Es muy difícil estudiar porque no puede soportar la presión de la habitación», dice Miyagi. “Tiene que hacerse a alta temperatura y presión. Si quitas la presión y la temperatura, se convierte en una taza”. La única davemaoita de superficie hasta la fecha, reportada recientemente en 2021, se encontró dentro de los diamantes, manteniendo la alta presión necesaria para mantener unida su estructura atómica.

Entonces, ¿cómo pudo el equipo de investigación, que incluía científicos de Utah, California, Alemania y el Reino Unido, estudiar las propiedades mecánicas de la dafemaita? Exprimiendo CaSiO pulverizado₃ Bajo una presión de 30 gigapascales (19 veces la presión del punto más profundo del océano) entre un yunque de diamante y calentado a 1.600 grados Fahrenheit (1.150 K). Tuvieron que construir una ventana en el dispositivo solo para permitir que el haz de rayos X pasara y analizara la estructura atómica del cristal resultante.

1000 veces más suave

Después de analizar la estructura de la davemaoita, los investigadores modelaron su fuerza y ​​comportamiento cuando se estira o estira. Descubrieron que la davemaoita es unas 1000 veces más blanda que el resto del manto.

Pero, ¿qué significa eso? La viscosidad de una sustancia, o su capacidad para fluir, se mide en muchas unidades diferentes, incluidos los segundos pascales. Algo muy delgado, como el agua, tiene aproximadamente 0,001 pascales, mientras que algo más espeso, como la mantequilla de maní, tiene aproximadamente 200 pascales. El manto inferior de la Tierra llega aproximadamente a los 10²¹ Segundos pascales: mucho más espesa que la mantequilla de maní. Pero si el manto es mantequilla de maní, la davemaoita es jarabe de arce. Y cualquiera que ponga ambos en panqueques sabe que la diferencia entre los dos es enorme.

Entonces, averigüemos cómo esta diferencia afecta una losa de rocas sumergida en el suelo. A una profundidad de unas 340 millas (550 km), la temperatura y la presión forman daffymitas en gran parte de la losa, haciéndola repentinamente muy débil.

“Esas partes débiles de la losa pueden desintegrarse o desprenderse del resto de la losa y luego caer en el manto”, dice Miyagi. «Tenemos imágenes sísmicas que parecen fragmentos de placas que se han partido y caído».

Si este material denso, rico en dafemaíta, se separa y se hunde, dice Miyagi, es plausible que pueda formar un gran distrito con una velocidad de corte baja. «Esto puede ocurrir durante largos períodos de tiempo para que este material se acumule por destilación de estas plumas invertidas en la base del manto».

Todavía queda mucho por explorar acerca de cómo las propiedades de los minerales dentro de la Tierra afectan el movimiento de las cosas. «Conocer las propiedades mecánicas de este material nos da una mejor comprensión de cómo se deslizan y se comportan las losas bajo tierra», dice Miyagi. «Entonces, esto podría darnos una mejor comprensión de los procesos a gran escala que impulsan el movimiento de las placas tectónicas y, por lo tanto, los terremotos y los volcanes».