Una ilustración de la Tierra tal como existía durante parte de su formación hace miles de millones de años, cuando un océano de magma cubría la superficie del planeta y se extendía miles de kilómetros hasta el núcleo. A la izquierda se muestra una celda típica de una simulación realizada por investigadores de FSU con las posiciones relativas de los átomos. Crédito: Suraj Bajgain / Universidad Estatal del Lago Superior
Durante las primeras etapas de la formación de la Tierra, un enorme océano de roca fundida conocido como «océano de magma» cubrió la superficie del planeta y penetró profundamente en su núcleo. La tasa de enfriamiento de este «océano de magma» desempeñó un papel crucial en la configuración de la estructura en capas de la Tierra y en la determinación de la composición química de esas capas.
Investigaciones anteriores habían sugerido que el océano de magma tardó cientos de millones de años en solidificarse, pero una nueva investigación de Universidad Estatal de Florida publicado en Comunicaciones de la naturaleza ha reducido estas incertidumbres a menos de un par de millones de años.
“Este océano de magma ha sido una parte importante de la historia de la Tierra, y este estudio nos ayuda a responder algunas preguntas fundamentales sobre el planeta”, dijo Mainak Mookherjee, profesor asociado de geología en el Departamento de Ciencias de la Tierra, el Océano y la Atmósfera.
Cuando el magma se enfría, forma cristales. El lugar donde terminen esos cristales depende de qué tan viscoso sea el magma y la densidad relativa de los cristales. Es probable que los cristales que son más densos se hundan y, por lo tanto, cambien la composición del magma restante. La velocidad a la que se solidifica el magma depende de su viscosidad. Un magma menos viscoso conducirá a un enfriamiento más rápido, mientras que un océano de magma con una consistencia más espesa tardará más tiempo en enfriarse.
Al igual que esta investigación, estudios anteriores han utilizado principios fundamentales de la física y la química para simular las altas presiones y temperaturas en el interior profundo de la Tierra. Los científicos también usan experimentos para simular estas condiciones extremas. Pero estos experimentos se limitan a presiones más bajas, que existen a profundidades menores dentro de la Tierra. No capturan completamente el escenario que existió en la historia temprana del planeta, donde el océano de magma se extendía a profundidades donde la presión probablemente sea tres veces mayor que la que pueden reproducir los experimentos.
Para superar esas limitaciones, Mookherjee y sus colaboradores realizaron su simulación durante un máximo de seis meses en las instalaciones informáticas de alto rendimiento de la FSU, así como en las instalaciones informáticas de la Fundación Nacional de Ciencias. Esto eliminó gran parte de las incertidumbres estadísticas en trabajos anteriores.
«La Tierra es un planeta grande, por lo que en profundidad, es probable que la presión sea muy alta», dijo Suraj Bajgain, ex investigador postdoctoral en FSU que ahora es profesor asistente visitante en la Universidad Estatal del Lago Superior. “Incluso si conocemos la viscosidad del magma en la superficie, eso no nos dice la viscosidad a cientos de kilómetros por debajo. Encontrar eso es muy desafiante”.
La investigación también ayuda a explicar la diversidad química que se encuentra dentro del manto inferior de la Tierra. Muestras de lava —el nombre del magma después de que atraviesa la superficie de la Tierra— de las crestas en el fondo del fondo del océano y de islas volcánicas como Hawái e Islandia se cristalizan en roca basáltica con apariencias similares pero composiciones químicas distintas, una situación que ha científicos de la Tierra perplejos durante mucho tiempo.
“¿Por qué tienen una química distinta o señales químicas?” Mookherjee dijo. “Dado que el magma se origina debajo de la superficie de la Tierra, eso significa que la fuente del magma allí tiene diversidad química. ¿Cómo comenzó esa diversidad química en primer lugar y cómo ha sobrevivido a lo largo del tiempo geológico?
El punto de partida de la diversidad química en el manto puede explicarse con éxito por un océano de magma en la historia temprana de la Tierra con baja viscosidad. El magma menos viscoso condujo a la rápida separación de los cristales suspendidos dentro de él, un proceso que a menudo se denomina cristalización fraccionada. Eso creó una mezcla de química diferente dentro del magma, en lugar de una composición uniforme.
Referencia: «Perspectivas sobre la dinámica del océano de magma a partir de las propiedades de transporte del derretimiento basáltico» por Suraj K. Bajgain, Aaron Wolfgang Ashley, Mainak Mookherjee, Dipta B. Ghosh y Bijaya B. Karki, 8 de diciembre de 2022, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-022-35171-y
El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias.
