El piloto del Apolo 8, Bill Anders, capturó esta icónica foto de la Tierra desde la órbita alrededor de la Luna en la víspera de Navidad, el 24 de diciembre de 1968. Los continentes de la Tierra, únicos en el sistema solar, son visibles, elevándose sobre el océano. Crédito: NASA
Los nuevos experimentos plantean interrogantes sobre la explicación común de las propiedades que dan origen a la tierra seca.
Aunque es un factor crucial para hacer de la Tierra un lugar más hospitalario para la vida en comparación con otros planetas del sistema solar, los orígenes y características únicos de los continentes y los enormes trozos de la corteza del planeta siguen siendo en gran parte un misterio.
Un estudio reciente de Elizabeth Cottrell, geóloga investigadora y curadora de rocas en el Museo Nacional Smithsonian de Historia Natural, y Megan Hollickross, Peter Buck Fellow y National Science Foundation Fellow en el museo y ahora profesora asistente en la Universidad de Cornell, ha avanzado nuestro conocimiento de la corteza terrestre al probar y refutar una teoría ampliamente sostenida relacionada con el menor contenido de hierro y los niveles redox más altos de la corteza continental en comparación con la corteza oceánica.
La pobre composición de hierro en 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 recientemente en la revista Cienciasutiliza experimentos de laboratorio para demostrar que la química oxidativa que agota el hierro típica de la corteza continental de la Tierra probablemente no provino de la cristalización del mineral calcedonia, interpretación común propuesto en 2018.
Los bloques de construcción de la nueva corteza continental brotan desde las profundidades de la Tierra en lo que se conoce como volcanes de arco continentales, que se encuentran en zonas de subducción donde una placa oceánica se hunde debajo de una placa continental. En la explicación del granate del estado empobrecido y oxidado del hierro en la corteza continental, la cristalización del granate en el magma debajo de estos volcanes continentales elimina el hierro no oxidado (reducido o férrico, como se le conoce entre los científicos) de las placas de la Tierra, agotando el hierro en el Mismo tiempo. El magma funde el hierro dejándolo más oxidado.
Micrografías de un experimento realizado para este estudio. La imagen contiene vidrio (marrón), ágata grande (rosa) y otros cristales minerales pequeños. El campo de visión es de 410 μm de ancho, aproximadamente del tamaño de un cristal de azúcar. Crédito: J. MacPherson y E. Cottrell, Smithsonian
Una consecuencia importante de la disminución del contenido de hierro en 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 eleven por encima del manto del planeta desde 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, y por qué las placas continentales siempre aparecen en la parte superior cuando se encuentran con las placas oceánicas en las zonas de subducción.
La explicación de Garnet sobre el agotamiento y la oxidación del hierro en el arco continental de magma fue convincente, pero Cottrell dijo que un aspecto simplemente no encajaba con ella.
«Se necesitan altas presiones para que el ágata se estabilice, y se encuentran estos magmas con bajo contenido de hierro en lugares donde la corteza no es tan gruesa, por lo que la presión no es muy alta», dijo.
En 2018, Cottrell y sus colegas se propusieron encontrar una manera de probar si la cristalización de granates en las profundidades debajo de estos volcanes de arco era realmente necesaria para el proceso de formación de la corteza continental tal como se entiende. Para lograr esto, Cottrell y Holicros tuvieron que encontrar formas de replicar el calor y la presión extremos de la corteza terrestre en el laboratorio, y luego desarrollar técnicas lo suficientemente sensibles para no solo medir la cantidad de hierro presente, sino también para distinguir entre la oxidación de ese hierro.
Para recrear la enorme presión y el calor que se encuentran debajo de los volcanes de arco continental, el equipo utilizó las llamadas prensas de cilindros de pistón en el laboratorio de alta presión del museo y en Cornell. El pistón de un cilindro de pistón hidráulico tiene aproximadamente el tamaño de un mini refrigerador y está hecho principalmente de acero increíblemente grueso y resistente y carburo de tungsteno. La fuerza aplicada por un gran pistón hidráulico da como resultado presiones muy altas en pequeñas muestras de roca, 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 una prensa de pistón-cilindro y un conjunto de calentamiento permite experimentos que pueden alcanzar los niveles de presión y temperaturas muy altos que se encuentran debajo de los volcanes.
Elizabeth Cottrell, geóloga investigadora y curadora de rocas en el Museo Nacional de Historia Natural de la Institución Smithsonian, carga un experimento en el laboratorio de su museo. Crédito: Jennifer Rentería, Smithsonian
En 13 experimentos diferentes, Cottrell y Holicros cultivaron muestras granates de roca fundida dentro de una prensa de cilindro de pistón 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 oscilaron entre 1,5 y 3 gigapascales, aproximadamente entre 15 000 y 30 000 presiones terrestres, o 8000 veces más que la presión dentro de una lata de refresco. Las temperaturas oscilaron entre 950 y 1230 grados.[{» attribute=»»>Celsius, which is hot enough to melt rock.
Next, the team collected garnets from Smithsonian’s National Rock Collection and from other researchers around the world. Crucially, this group of garnets had already been analyzed so their concentrations of oxidized and unoxidized iron were known.
Finally, the study authors took the materials from their experiments and those gathered from collections to the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois. There the team used high-energy X-ray beams to conduct X-ray absorption spectroscopy, a technique that can tell scientists about the structure and composition of materials based on how they absorb X-rays. In this case, the researchers were looking into the concentrations of oxidized and unoxidized iron.
The samples with known ratios of oxidized and unoxidized iron provided a way to check and calibrate the team’s X-ray absorption spectroscopy measurements and facilitated a comparison with the materials from their experiments.
The results of these tests revealed that the garnets had not incorporated enough unoxidized iron from the rock samples to account for the levels of iron depletion and oxidation present in the magmas that are the building blocks of Earth’s continental crust.
“These results make the garnet crystallization model an extremely unlikely explanation for why magmas from continental arc volcanoes are oxidized and iron-depleted,” Cottrell said. “It’s more likely that conditions in Earth’s mantle below continental crust are setting these oxidized conditions.”
Like so many results in science, the findings lead to more questions: “What is doing the oxidizing or iron depleting?” Cottrell asked. “If it’s not garnet crystallization in the crust and it’s something about how the magmas arrive from the mantle, then what is happening in the mantle? How did their compositions get modified?”
Cottrell said that these questions are hard to answer but that now the leading theory is that oxidized sulfur could be oxidizing the iron, something a current Peter Buck Fellow is investigating under her mentorship at the museum.
Reference: “Garnet crystallization does not drive oxidation at arcs” by Megan Holycross and Elizabeth Cottrell, 4 May 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade3418
This study is an example of the kind of research that museum scientists will tackle under the museum’s new Our Unique Planet initiative, a public–private partnership, which supports research into some of the most enduring and significant questions about what makes Earth special. Other research will investigate the source of Earth’s liquid oceans and how minerals may have served as templates for life.
The study was funded by the Smithsonian, the National Science Foundation, the Department of Energy, and the Lyda Hill Foundation.
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