Bolsas de magma en el límite núcleo-manto y la dinámica interior de la Tierra

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Los “magmas oscuros” (“dark magmas” en inglés), son acumulaciones de roca fundida que se encuentran en el interior de la Tierra y que, de acuerdo con un reciente artículo, podrían estar desviando la energía proveniente del núcleo de la Tierra.

Si las recientes investigaciones son correctas, estas bolsas de magma podrían estar mucho más cerca de la superficie de la que se esperaba, elevándose por encima de su propio nivel presionando las rocas que componen el manto. La nueva teoría apunta a un cambio a escala atómica en el magma.

Ilustración 1. Modelo numérico de plumas de manto ascendiendo desde el límite núcleo-manto. Imagen tomada de la Nature Geoscience.

 Un grupo de investigadores, liderados por Motohiko Murakami del Departamento de Tierra y Ciencias Planetarias de la Universidad de Tohoku, Japón y Alexander F. Goncharov del laboratorio de Geofísica del Carnegie Institution of Washington, U.S.A., presentan en su artículo titulado “High-pressure radiative conductivity of dense silicate glasses with potential implications for dark magmas”, publicado por la revista “Nature Communications” el pasado 11 de noviembre, que las mediciones espectroscópicas de presión realizadas en vidrios silicatados enriquecidos en hierro, arrojan resultados de hasta 85 GPa (Gigapascales), una presión extremadamente alta que da como resultados magmas altamente densos por la compresión.

El límite núcleo-manto

La posible presencia de magmas densos en el límite núcleo-manto podría afectar significativamente tanto la dinámica como la evolución térmica del interior de la Tierra. Sin embargo, las propiedades del transporte térmico de masas fundidas silicatadas sometidas a altas condiciones de presión son poco comprendidas hasta el momento.

Ilustración 2. Esquema que ilustra la forma de la zona de ultra baja velocidad
(ULVZ), en la zona de transición núcleo-manto conocida como capa D’’. ) Imagen
tomada de Diane H. Carlson, et. al., Physical Geology: Earth Revealed. 2011

Estos resultados sugieren que la conductividad de radiación térmica de silicatos densos fundidos podría decrecer con la presión, lo que implicaría ser significativamente más pequeña que lo que previamente se esperaba para las condiciones del límite núcleo-manto.

Los magmas oscuros heterogéneamente distribuidos en el manto inferior resultarían en una significativa heterogeneidad lateral del flujo de calor a través del límite núcleo-manto. Recordemos que de acuerdo a los modelos de la estructura interna de la Tierra, el límite núcleo-manto, a aproximadamente 2900 km de profundidad, está marcado por un gran cambio en la velocidad de las ondas sísmicas, densidad y temperatura.

Los magmas oscuros y su relación con los volcanes

 La mayoría de los volcanes deben su formación a la tectónica de placas, específicamente cuando dos grandes porciones de litósfera (denominadas placas tectónicas), colisionan o convergen (de ahí el nombre de bordes convergentes). Por diferencia de densidades entre ambas, una de ellas tiene a hundirse debajo de la otra, en un proceso conocido como subducción; a determinada profundidad, con altas presiones y temperaturas, la litósfera subducente comienza a fundirse y a generar magma, que eventualmente dará origen a vulcanismo en la placa subducida. Este proceso es el que se está llevando a cabo en el llamado “Anillo o cinturón de fuego”, una de las zonas volcánicas más activas en la Tierra, que debe su origen a la subducción de la placa del Pacífico.

Ilustración 3. El Cinturón o Anillo de Fuego es una de la zona de subducción con mayor actividad volcánica en la Tierra.

Sin embargo, la actividad volcánica de algunos de los volcanes más grandes y activos de nuestro planeta, como los que conforman las islas Hawaii y el Parque Nacional de Yellowstone, provienen de regiones profundas del manto. El fenómeno geológico que los origina, conocido como “hot spot” o  “punto caliente”, que se trata de una expresión superficial de los penachos mantélicos (y los cuales están muy alejados de los bordes de placas), ha sido un dolor de cabeza para los científicos.

Estos volcanes han expulsado lava desde hace varios millones, cubriendo zonas muy extensas de la superficie terrestre. Los geólogos tienen como hipótesis que su origen se da justo por encima del núcleo externo terrestre, pero a la fecha no se conoce el mecanismo con precisión. El equipo de investigadores cree que hay acumulaciones de magma, que constituyen remanentes de una etapa temprana de fundición en la historia de nuestro planeta, alrededor del núcleo externo de la Tierra.

Ilustración 4. Los volcanes hawaianos son producto de penachos mantélicos provenientes del manto. Fotografía de National Geographic.

Debido a que la base del manto inferior se encuentra a unos 2900-3000 km de profundidad, las temperaturas y las presiones son tan altas que las estructuras atómicas de los magmas de esa zona son diferentes a aquellas que tendrían en condiciones menos extremas. Esto, puede cambiar las propiedades físicas considerablemente, incluyendo su apariencia y la manera en que absorbe el calor.

Los experimentos en laboratorio

Ilustración 5. Motohiko Murakami.

 El equipo de investigación estudio dos formas de vidrio de silicato, un material análogo al magma de las profundidades del manto de hasta 840,000 veces la presión de la atmósfera, imitando las condiciones de la frontera núcleo-manto.

La transferencia de calor se produce a una velocidad mayor a través de materiales de alta conductividad térmica que a través de materiales de baja conductividad térmica. Para observar cómo los materiales conducen el calor, los científicos manipulan los materiales mientras monitorean sus propiedades físicas. Por ejemplo, bajo ciertas condiciones los minerales transmiten luz. Los investigadores puedes medir los cambios en la transmisión de calor en el material mediante el incremento de la presión, la cual afecta la estructura atómica y en consecuencia las propiedades de transmisión de calor.

El equipo, liderado por Motohiko Murakami, de la Universidad de Tohoku (Sendai, Japón), midió la absorción óptica visible e infrarroja de dos tipos de vidrio silicatado sometido a enormes presiones generadas entre dos puntas de diamante en una celda de yunque haciendo pasar ambos espectros de luz a través del vidrio para entonces medir que cantidad podía pasar a través de su ahora más compacta estructura. Este método permite a los científicos detectar ligeros cambios en los niveles de energía del vidrio silicatado rico en hierro a medida que las presión incrementaba.

Sistema de espectroscopio Mössbauer

Dichas conclusiones fueron apoyadas usando una herramienta adicional, la llamada espectroscopía Mössbauer (que consiste en la emisión y absorción de rayos gama), que mostró cambios en la configuración electrónica de los iones de hierro que se correlacionaron con el aumento observado en la absorción óptica.

El resultado fue que debido al aumento de presión, la cantidad de luz absorbida por el vidrio también se incrementó, siendo el equipo capaz de observar un cambio en la estructura atómica del vidrio; al menos así lo ha publicado el portal “Geology Page” (no se tiene acceso al artículo completo a menos que pagues por ello en el portal de la Revista Nature Communications).

El motor de los puntos calientes y el campo magnético terrestre

El mismo portal afirma que Goncharov, uno de los líderes del proyecto, piensa que estos resultados significan que los magmas sometidos a altas presiones en el manto inferior deben absorber el calor emanado del núcleo. A medida que estas acumulaciones de magma alrededor del núcleo se calientan, comienzan a actuar como una puerta para que el calor entre al manto por medio de corrientes de convección.

Ilustración 6. El diagrama muestra dos mecanismos que generan vulcanismo: la subducción y las plumas/penachos del manto. Imagen tomada de Maggie´s Science Connection.

Así, las rocas calientes del manto se mueven a través del planeta en forma de plumas masivas hasta que salen a la superficie, desembocando en el nacimiento de grandes volcanes en lugares atípicos, como es el caso de Hawaii, Yellowstone, la Isla de Pascua o el Monte Etna (por mencionar algunos), muchos de los cuales han presentado violentas erupciones.

“Estábamos completamente sorprendidos de encontrar que la conductividad de radiación térmica disminuía con la presión para ambos tipos de vidrio […] este resultado es contrastante con lo que se observa en otro de los mayores constituyentes del manto inferior, la perovsquita. La velocidad de transferencia de calor para el vidrio es unas 5-25 veces menor que la perovsquita – semejante diferencia afectaría enormemente el flujo de calor en el límite núcleo-manto. Así, los resultados sugieren la formación de magmas oscuros y profundos con gran absorción de calor en comparación con el material circundante. Esto significa que dichos magmas podrían atrapar el calor proveniente del núcleo subyacente con lo que se formarían surgencias termales de gran escala, conocidas como superplumas”, declara Goncharov.

Ilustración 7. El campo magnético terrestre es consecuencia de la dinámica interior de la Tierra. Imagen tomada de Planet Facts

Si la hipótesis es cierta, el equipo habría aportado una llave clave para el entendimiento de la dinámica interna de la Tierra. Y es que la comprensión del mecanismo de las plumas o penachos del manto es fundamental para entender el las implicaciones que tiene el movimiento del calor dentro de nuestro planeta.

Por ejemplo, el campo magnético de la Tierra depende de cómo el núcleo gira dentro del planeta. Con ello, los resultados del estudio implicarían que la manera en la que el calor fluye desde el núcleo hacia el manto podría afectar potencialmente la forma en como el campo magnético terrestre evoluciona a través del tiempo.

Los puntos débiles del nuevo estudio

Thomas Duffy, un geocientífico de la Universidad de Princeton ajeno y al proyecto, ha opinado al respecto. Él piensa que “hay dos limitaciones fundamentales en el paper”, las cuales a su juicio son:

1. El equipo de Murakami y Goncharov basaron su hipótesis en el estudio de un vidrio, y no de roca fundida.
2. El experimento se realizó a temperatura ambiente y no a altas temperaturas, como sucedería en el límite núcleo-manto.

Alexander F. Goncharov

 Además, el piensa que aunque los científicos realizaran el experimento con roca fundida a cerca de 3200°C, no podrían estar seguros de cómo se comporta el magma realmente en esos confines de la Tierra.

Otro hecho relevante, es la existencia de las bolsas o acumulaciones de magma oscuro alrededor del núcleo, puesto que los geólogos aún no están seguros de su presencia en esta región.

Como es bien sabido, para conocer el interior de la Tierra, los geocientíficos confían en las ondas sísmicas de los grandes terremotos, las cuales viajan a través de 3000 kilómetros de roca. A esas profundidades, las mediciones se vuelven “un poco ambiguas”, en palabras de Duffy. “Y existe la pregunta sobre por qué no sólo se drena todo el líquido”. Esto debido a que dichas bolsas de magma oscuro flotan sobre el núcleo, y esta idea sería análoga a imaginar un océano elevándose decenas de kilómetros sobre el nivel del mar. “No es imposible, pero la idea de que hay material fundido en lo profundo del manto es controversial” afirma.

Así que si bien es cierto que aún se necesitan más datos para afirmar esta hipótesis, tan bien lo es que las lecturas sismográficas a estas profundidades son demasiado difusas como para descarta. El veredicto quizá no sea el final hasta que alguien ponga a prueba los efectos de la presión y la temperatura en una muestra de roca fundida, la sustancia que debería hallarse en esta región y con la que se deberían probar estas ideas.

Fuentes de información electrónicas

• CHEN, Angus. ‘Dark magma’ could explain mystery volcanoes. Science News [en línea] 11 de noviembre de 2014 [Fecha de consulta: 19 de noviembre de 2014] Disponible en: < http://news.sciencemag.org/earth/2014/11/dark-magma-could-explain-mystery-volcanoes >.
• MURAKAMI, Motohiko et. al. High-pressure radiative conductivity of dense silicate glasses with potential implications for dark magmas. Nature Communications [en línea] 11 de noviembre de 2014. [Fecha de consulta: 19 de noviembre de 2014] Disponible en: < http://www.nature.com/ncomms/2014/141111/ncomms6428/full/ncomms6428.html>.

• TEMPLETON, Graham. Dark magma could explain Hawaii’s non-tectonic volcanoes. com [en línea] 13 de noviembre de 2014 [Fecha de consulta: 19 de noviembre de 2014] Disponible en: < http://www.geek.com/science/dark-magma-could-explain-hawaiis-non-tectonic-volcanoes-1609338 >.
• Does dark magma lurk in deep Earth?. org [en línea]. 13 de noviembre de 2014. [Fecha de consulta: 20 de noviembre de 2014]. Disponible en: < http://phys.org/news/2014-11-dark-magma-lurk-deep-earth.html >