Cerca del núcleo de la Tierra hay zonas en las que las ondas sísmicas se ralentizan. Ahora, un nuevo estudio de la Universidad de Utah ha revelado que estas enigmáticas y descriptivas zonas de velocidad ultrabaja están sorprendentemente estratificadas.
Los modelos sugieren que es posible que algunas de estas zonas sean restos de los procesos que dieron forma a la Tierra primitiva, según publican en la revista 'Nature Geoscience'.
"De todas las características que conocemos del manto profundo, las zonas de velocidad ultrabaja son probablemente las más extremas --explica Michael S. Thorne, profesor asociado del Departamento de Geología y Geofísica--. De hecho, son algunas de las características más extremas que se encuentran en cualquier parte del planeta".
Entre la corteza y el núcleo de hierro y níquel, en el centro del planeta, se encuentra el manto que, recuerdan los investigadores, no es un océano de lava, sino más bien una roca sólida, pero caliente y con una capacidad de movimiento que impulsa las placas tectónicas en la superficie.
Para saber lo que ocurre en el manto y en el núcleo se usan las ondas sísmicas: cuando se propagan por la Tierra después de un terremoto, los científicos de la superficie pueden medir cómo y cuándo llegan las ondas a las estaciones de control de todo el mundo.
A partir de esas mediciones, pueden calcular cómo se reflejan y desvían las ondas en las estructuras de la Tierra, incluidas las capas de diferentes densidades. Así es como se sabe dónde están los límites entre la corteza, el manto y el núcleo, y en parte de qué están hechos.
Las zonas de velocidad ultrabaja se encuentran en el fondo del manto, encima del núcleo exterior de metal líquido. En estas zonas, las ondas sísmicas se ralentizan hasta la mitad y la densidad aumenta un tercio.
En un principio, los científicos pensaron que estas zonas eran áreas en las que el manto estaba parcialmente fundido, y que podrían ser la fuente de magma para las llamadas regiones volcánicas "de punto caliente", como Islandia. "Pero la mayoría de lo que llamamos zonas de velocidad ultrabaja no parecen estar situadas bajo los volcanes de puntos calientes --dice Thorne--, así que esa no puede ser toda la historia".
Así que Thorne, el becario postdoctoral Surya Pachhai y sus colegas de la Universidad Nacional de Australia, la Universidad Estatal de Arizona, en Estados Unidos, y la Universidad de Calgary, en Canadá, se propusieron explorar una hipótesis alternativa: que las zonas de velocidad ultrabaja pueden ser regiones hechas de rocas diferentes al resto del manto, y que su composición puede remontarse a la Tierra primitiva.
Tal vez, dice Thorne, las zonas de velocidad ultrabaja podrían ser acumulaciones de óxido de hierro, que vemos como óxido en la superficie pero que puede comportarse como un metal en el manto profundo. De ser así, las bolsas de óxido de hierro situadas fuera del núcleo podrían influir en el campo magnético de la Tierra que se genera justo debajo.
"Las propiedades físicas de las zonas de velocidad ultrabaja están relacionadas con su origen --afirma Pachhai--, lo que a su vez proporciona información importante sobre el estado térmico y químico, la evolución y la dinámica del manto más bajo de la Tierra, una parte esencial de la convección del manto que impulsa la tectónica de placas".
Para obtener una imagen clara, estudiaron zonas de velocidad ultrabaja bajo el Mar del Coral, entre Australia y Nueva Zelanda, un lugar ideal por la abundancia de terremotos en la zona, que proporcionan una imagen sísmica de alta resolución del límite entre el núcleo y el manto. La esperanza era que las observaciones de alta resolución pudieran revelar más información sobre cómo se forman las zonas de velocidad ultrabaja.
Pero obtener una imagen sísmica de algo a través de casi 3 kilómetros de corteza y manto no es fácil. Tampoco es siempre concluyente: una capa gruesa de material de baja velocidad puede reflejar las ondas sísmicas de la misma manera que una capa fina de material de velocidad aún más baja. Así que el equipo utilizó un enfoque de ingeniería inversa.
"Podemos crear un modelo de la Tierra que incluya reducciones de la velocidad de las ondas ultrabajas --dice Pachhai--, y luego ejecutar una simulación por ordenador que nos diga cómo serían las formas de las ondas sísmicas si así fuera la Tierra en realidad. Nuestro siguiente paso es comparar esos registros predichos con los que realmente tenemos", adelanta.
A lo largo de cientos de miles de ejecuciones del modelo, el método, llamado "inversión bayesiana", produce un modelo matemáticamente robusto del interior con una buena comprensión de las incertidumbres y compensaciones de las diferentes suposiciones del modelo.
Una pregunta concreta que los investigadores querían responder es si existen estructuras internas, como capas, dentro de las zonas de velocidad ultrabaja. La respuesta, según los modelos, es que las capas son muy probables. Esto es importante, porque muestra el camino para entender cómo se formaron estas zonas.
"Hasta donde sabemos, éste es el primer estudio que utiliza un enfoque bayesiano con este nivel de detalle para investigar las zonas de velocidad ultrabaja --apunta Pachhai--, y también es el primer estudio que demuestra una fuerte estratificación dentro de una zona de velocidad ultrabaja".
Hace más de cuatro mil millones de años, mientras el hierro denso se hundía en el núcleo de la Tierra primitiva y los minerales más ligeros flotaban en el manto, un objeto planetario del tamaño de Marte pudo chocar contra el planeta naciente.
La colisión pudo haber arrojado a la órbita de la Tierra restos que posteriormente podrían haber formado la Luna. También elevó la temperatura de la Tierra de forma significativa, como cabría esperar de dos planetas que chocan entre sí.
"Como resultado, se formó una gran masa de material fundido, conocido como océano de magma", explica Pachhai. El "océano" estaría formado por rocas, gases y cristales suspendidos en el magma. Ese océano se habría ordenado a sí mismo al enfriarse, con materiales densos que se hundieron y se apilaron en el fondo del manto.
A lo largo de los siguientes miles de millones de años, a medida que el manto se agitaba y convulsionaba, la capa densa habría sido empujada en pequeños parches, mostrándose como las zonas de ultrabaja velocidad en capas que vemos hoy.
"El hallazgo principal y más sorprendente es que las zonas de velocidad ultrabaja no son homogéneas, sino que contienen fuertes heterogeneidades (variaciones estructurales y de composición) en su interior", afirma Pachhai.
"Este hallazgo cambia nuestra visión sobre el origen y la dinámica de las zonas de velocidad ultrabaja --subraya--. Descubrimos que este tipo de zonas de velocidad ultrabaja puede explicarse por las heterogeneidades químicas creadas al principio de la historia de la Tierra y que aún no están bien mezcladas después de 4.500 millones de años de convección del manto".
El estudio proporciona algunas pruebas del origen de algunas zonas de ultrabaja velocidad, aunque también hay pruebas que sugieren orígenes diferentes para otras, como la fusión de la corteza oceánica que se hunde de nuevo en el manto. Pero si al menos algunas zonas de velocidad ultrabaja son restos de la Tierra primitiva, conservan parte de la historia del planeta que de otro modo se habría perdido.
"Por lo tanto, nuestro descubrimiento proporciona una herramienta para entender el estado térmico y químico inicial del manto terrestre --concluye Pachhai-- y su evolución a largo plazo".
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