Rastrean el viaje del agua desde la superficie de la Tierra hasta el manto inferior
CIENCIAS DE LA TIERRA / HIDROLOGÍA.
El análisis de un diamante superprofundo revela cómo el agua viaja hasta el interior de la Tierra.
Diamante de gran profundidad, procedente de Juína, montado para su análisis en el acelerador de partículas Sirius. Foto: Léo Ramos Chaves / Pesquisa FAPESP.
El estudio es obra de un equipo encabezado por Carolina Camarda, de la Universidad de Brasilia (UnB), y ha contado con el respaldo de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Sao Paulo (FAPESP), en Brasil ambas instituciones.
Dentro de un diamante de apenas 3 milímetros de longitud, en una impureza microscópica, los autores del estudio descubrieron la primera evidencia directa de que la goethita puede resistir presiones y temperaturas extremas hasta llegar al interior del planeta. La goethita se forma en el suelo y en el lecho oceánico a partir de minerales ricos en hierro, en presencia de agua. Además, incorpora parte de las moléculas de agua en su estructura mineral. El estudio sugiere que la goethita puede actuar como un vehículo que transporta y posteriormente libera agua hasta una región conocida como el manto inferior.
Estudios anteriores, realizados por otros investigadores, confirmaron que el agua de la corteza terrestre —la capa rocosa más externa de la Tierra, con un espesor de entre 20 y 80 kilómetros en los continentes y de 5 a 10 en los océanos— puede llegar a la región de rocas más densas situada inmediatamente debajo de ella, conocida como el manto superior, hasta profundidades máximas de 660 kilómetros. A partir de ese punto comienza el manto inferior, compuesto por rocas de composición química similar a las del manto superior, pero con minerales que presentan una estructura cristalina diferente debido al aumento de la temperatura y la presión con la profundidad. Esta capa se extiende hasta los 2900 kilómetros por debajo de la superficie.
La investigación se llevó a cabo en Sirius, el acelerador de partículas del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), perteneciente al Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM), en Campinas, estado de Sao Paulo, Brasil. El trabajo es resultado de la tesis de maestría de la geóloga Carolina Camarda, bajo la dirección del geólogo Tiago Jalowitzki, de la Universidad de Brasilia (UnB), y del físico Hélio Tolentino, del LNLS. Camarda realizó la investigación en colaboración con la geóloga Fernanda Gervasoni, de la Universidad Federal de Pelotas (UFPel), en el estado de Rio Grande do Sul, quien realiza una estancia posdoctoral en el LNLS con una beca de la FAPESP, bajo la supervisión de Tolentino.
En julio de 2018, Gervasoni y Jalowitzki visitaron una cooperativa de mineros artesanales de la región de Chapadão, en el municipio de Juína, estado de Mato Grosso, donde recibieron una donación de diamantes superprofundos. Estos diamantes, encontrados en muy pocos lugares del mundo, se forman a profundidades superiores a los 300 kilómetros, mientras que la mayoría de los diamantes se origina a unos 150 kilómetros bajo la superficie. En ambos casos, son transportados hasta la superficie por el magma que alimenta las erupciones volcánicas.
Muchos diamantes superprofundos tienen escaso valor como joyas debido a su apariencia irregular y a la presencia de pequeños fragmentos oscuros de otros materiales atrapados en la piedra durante su formación, conocidos como inclusiones minerales. Para los geólogos, estas inclusiones son más valiosas que el propio diamante, ya que funcionan como cápsulas del tiempo que preservan evidencias de las condiciones existentes en el interior de la Tierra, donde estas piedras se formaron hace cientos de millones de años.
Hecho en Brasil.
Los diamantes superprofundos de Juína fueron descubiertos a finales de la década de 1980 y, desde entonces, han sido fuente de diversos descubrimientos científicos, realizados hasta ahora únicamente por grupos liderados por investigadores extranjeros. “La nuestra es la primera investigación realizada íntegramente por un equipo brasileño y con instrumentos nacionales”, destaca Gervasoni.
La investigación también es la primera en el mundo en analizar un diamante superprofundo utilizando técnicas de luz sincrotrón de principio a fin. Elegido al azar, uno de los diamantes de Juína estuvo entre los primeros materiales analizados en las líneas de luz Mogno y Carnaúba, del Sirius, durante la fase de puesta en marcha de los nuevos equipos del LNLS, antes de su inauguración oficial, en 2023 y 2021, respectivamente.
La luz sincrotrón es una radiación electromagnética de brillo extremadamente intenso, emitida por los electrones que viajan alrededor del acelerador de partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Las líneas de luz dirigen bandas específicas de esta radiación hacia estaciones experimentales para el análisis de materiales.
En la línea Mogno, una microtomografía de rayos X de alta resolución permitió cartografiar alrededor de un centenar de inclusiones minerales en el interior del diamante. Posteriormente, en la línea Carnaúba, la espectroscopía de rayos X determinó la composición química de esas inclusiones.
Una de ellas llamó la atención del equipo porque parecía contener un hidróxido de hierro, algo muy poco común en el manto profundo, donde existen pocos minerales hidratados y la mayoría de las rocas no favorece las reacciones de oxidación. “Cuando encuentran hidróxidos de hierro, los investigadores suelen descartar la inclusión, asumiendo que alguna fractura microscópica en el diamante provocó la oxidación al entrar en contacto con el aire”, explica Camarda. “Como la tomografía demostró que la inclusión no tenía ninguna conexión con el exterior, decidimos investigarla.”
El equipo utilizó entonces otra línea de luz del Sirius, la Ema, para caracterizar todos los minerales presentes en la inclusión. Para sorpresa de los investigadores, la técnica de difracción de rayos X identificó la presencia del oxihidróxido de hierro goethita (FeOOH) y de los óxidos de hierro hematita (Fe₂O₃) y magnetita (Fe₃O₄). Aunque estos minerales son muy comunes y abundantes en el suelo y en el lecho oceánico, su coexistencia en una inclusión microscópica se considera imposible en las condiciones de temperatura y presión de la superficie terrestre.
Viaje al interior de la Tierra.
Hasta hace pocos años, existía consenso entre los investigadores de que la goethita no resistiría el llamado proceso de subducción, es decir, el hundimiento de una placa oceánica bajo otra placa tectónica de la corteza terrestre en dirección al manto, como ocurre actualmente, por ejemplo, en la costa occidental de América del Sur, donde la corteza del océano Pacífico se hunde bajo el continente, generando la actividad volcánica y tectónica que dio origen (y continúa dando forma) a la cordillera de los Andes. Al comienzo de este proceso, temperaturas superiores a los 200 grados centígrados (°C) transformarían rápidamente la goethita en hematita y agua.
Sin embargo, Camarda y sus colegas observaron que los resultados de la difracción obtenidos en Sirius eran muy similares a los obtenidos en un experimento de compresión mediante ondas de choque, realizado en la Universidad de Sichuan, en China, en 2021, el cual mostró que la goethita puede resistir presiones de entre 35 y 57 gigapascales (GPa, equivalentes a unas 500 veces la presión existente en el punto más profundo de los océanos) y temperaturas de entre 877 y 1827 °C. Estas condiciones se presentan en el manto inferior, entre los 900 y los 1.250 km de profundidad.
Muchos investigadores interpretan estos resultados con escepticismo, ya que los experimentos de choque no reproducen con exactitud todas las condiciones físicas del manto superior e inferior. Sin embargo, también en 2021, un equipo liderado por investigadores de la Universidad de Bayreuth, en Alemania, demostró que la goethita resistía condiciones similares de presión y temperatura en un experimento de compresión mediante celdas de yunque de diamante, capaces de simular de manera más fiel el ambiente del manto. Otros experimentos con yunques de diamante también evaluaron la resistencia de este mineral, aunque sugirieron su deshidratación a menores profundidades.
El equipo de Camarda propone, por tanto, que la goethita puede sobrevivir al proceso de subducción al permanecer protegida en fisuras profundas del interior de placas oceánicas relativamente frías, alcanzando profundidades superiores a los 400 km. A partir de ese punto, comenzaría a transformarse en hematita y agua, o en magnetita, oxígeno y agua, en un proceso que podría prolongarse hasta el manto inferior.
El diamante que encapsuló estos minerales pudo haberse formado a partir de la cristalización del carbono presente en minerales del manto o de la propia placa oceánica. El manto terrestre es relativamente pobre en carbono y está compuesto principalmente por minerales ricos en magnesio, hierro y silicio. En otra inclusión del mismo diamante, el equipo identificó la presencia de uno de esos minerales, la ferropericlasa, muy abundante en el manto inferior, lo que constituye otro indicio de la profundidad a la que se formó este diamante.
“La liberación de agua reduce el punto de fusión de estas rocas, pudiendo generar pequeñas cantidades de magma, que tienden a ascender lentamente hacia la superficie”, explica Gervasoni. “Existen teorías que proponen que las rocas volcánicas que transportan los diamantes superprofundos hasta la superficie pueden formarse cerca de la zona de transición entre el manto superior y el manto inferior, a unos 400 km de profundidad.”
En 2014, un equipo internacional publicó en la revista académica Nature el descubrimiento, también en un diamante de Juína, de un mineral abundante en la zona de transición, la ringwoodita (Mg₂SiO₄), capaz de absorber agua. El manto superior parece albergar grandes cantidades de agua procedente de la superficie. En cambio, la mayoría de los minerales del manto inferior tiene una capacidad muy limitada para almacenar agua.
Además de Camarda, Gervasoni, Jalowitzki y Tolentino, en el trabajo participaron otros 11 investigadores, vinculados al CNPEM, la UnB y la UFRGS.
El estudio se titula “Iron oxyhydroxide as water carrier to the Earth’s mantle”. Y se ha publicado en la revista académica Scientific Reports. (Fuente: FAPESP)
Sitio Fuente: NCYT de Amazings