Seleccionar página

El hierro en la superficie de la Tierra, ya sea en clavos simples o vigas poderosas, reacciona gradualmente cuando se expone al aire húmedo o al agua oxigenada a través de una reacción química conocida como oxidación. El producto marrón rojizo de esta reacción, el óxido, puede consistir en varias formas de óxidos de hierro hidratados (que contienen agua) y materiales de hidróxido de óxido de hierro. En la naturaleza, las rocas rojas que se encuentran en los climas áridos del suroeste de los Estados Unidos y en otros lugares deben su color de manera similar al mineral de óxido de hierro hematita, mientras que en ambientes más húmedos, los minerales de hierro como la hematita se desgastan para formar el mineral de óxido de hierro-hidróxido goethita ( FeOOH).

Muy por debajo de la superficie de la Tierra, a 2.900 kilómetros de profundidad, para ser precisos, hay una masa de hierro fundido en su mayor parte que forma el núcleo exterior del planeta. ¿Se podría oxidar también?

En experimentos, los científicos han demostrado recientemente que cuando el hierro se encuentra con la humedad como agua o en forma de minerales que contienen hidroxilo a presiones cercanas a 1 millón de atmósferas, similar a las presiones en el manto inferior profundo, forma peróxido de hierro o una forma de hierro a alta presión. óxido-hidróxido con la misma estructura que la pirita (es decir, FeOOH tipo pirita) [ Hu et al. , 2016, Mao et al. , 2017]. En otras palabras, las reacciones de oxidación en estos experimentos, de hecho, forman herrumbre a alta presión.

Si el óxido está realmente presente donde el núcleo externo se encuentra con el manto (el límite entre el núcleo y el manto, o CMB), es posible que los científicos necesiten actualizar su visión del interior de la Tierra y su historia. Este óxido podría arrojar luz sobre el ciclo de aguas profundas en el manto inferior y los orígenes enigmáticos de las zonas de velocidad ultrabaja (ULVZ), regiones pequeñas y delgadas sobre el núcleo fluido de la Tierra que reducen significativamente las ondas sísmicas (Figura 1). También podría ayudar a responder preguntas sobre el Gran Evento de Oxidación (GOE, por sus siglas en inglés), que marcó el comienzo de la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra hace unos 2500 millones a 2300 millones de años, y el Evento de Oxigenación Neoproterozoico (NOE) hace 1000 millones a 540 millones de años. que llevó el oxígeno libre atmosférico a sus niveles actuales.

Pero, ¿cómo sabemos si se ha producido oxidación en el CMB?

Firmas sísmicas en el límite entre el núcleo y el manto

Fig. 1. La coloración de las rocas rojas en la superficie de la Tierra, como se ve aquí cerca de West Mitten Butte, East Mitten Butte y Merrick Butte en Arizona, se debe principalmente a los minerales de hierro oxidados hematita y goethita (arriba). Los posibles depósitos de óxido del núcleo en el límite entre el núcleo y el manto (CMB), a 2.900 kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra, podrían estar formados por minerales de óxido e hidróxido de hierro con una estructura similar a la pirita. Este material de óxido podría explicar las detecciones de zonas de ultra baja velocidad (ULVZ) en datos sísmicos. El umbral de detección ULVZ indica la resolución de la tomografía sísmica actual. Crédito: Arriba: Ken Cheung / Pexels ; Abajo: Mary Heinrichs/AGU

Aunque no podemos extraer los minerales en el CMB, podemos examinarlos de otras formas. Si el núcleo se oxida con el tiempo, es posible que se haya acumulado una capa de óxido en el CMB, mostrando ciertas características sísmicas.

Los estudios de laboratorio indican que la oxidación del núcleo de óxido-hidróxido de hierro (es decir, FeOOH x , donde x es 01) puede causar reducciones significativas en las velocidades de las ondas de corte sísmicas ( V s ) y las ondas de compresión ( V p ) que lo atraviesan, al igual que las rocas (o fundidos parciales, si los hay) en ULVZs do [ Liu et al. , 2017]. De hecho, la oxidación del núcleo podría reducir las velocidades de las ondas sísmicas hasta en un 44 % para V s y en un 23 % para V p , en comparación con las velocidades sísmicas promedio en función de la profundidad representada en el Modelo terrestre de referencia preliminar . Estas grandes reducciones de velocidad harían reconocible la oxidación del núcleo en la tomografía sísmica si se acumula en montones de más de 35 kilómetros de espesor.

Los científicos deberían poder usar tomogramas sísmicos para diferenciar entre la oxidación del núcleo y el derretimiento parcial en el límite entre el núcleo y el manto.

La dificultad radica en distinguir si las anomalías sísmicas en las ULVZ son causadas por la oxidación del núcleo o si tienen otros orígenes. Por ejemplo, el derretimiento parcial, que comúnmente se cree que ocurre en la base del manto inferior y que es responsable de las ULVZ [ Williams y Garnero , 1996], podría dar lugar a reducciones de la velocidad sísmica similares a las causadas por la oxidación del núcleo.

Los científicos deberían poder usar tomogramas sísmicos para diferenciar entre la oxidación del núcleo y la fusión parcial en el CMB. Un tomograma sísmico normalmente se produce a través de un proceso de inversión matemática que coincide con las formas de onda sísmicas calculadas y observadas. El proceso de inversión requiere determinar posibles soluciones matemáticas que se ajusten a los datos y luego elegir la mejor solución de entre ellas sobre la base de consideraciones adicionales.

Cada posible solución matemática corresponde a un conjunto distinto de parámetros del modelo relacionados con las propiedades físicas de los materiales involucrados, por ejemplo, las diferencias relativas en V s , V p y densidad entre un material de interés y el promedio del manto circundante alrededor de ese material. .

Fig. 2. Aquí se muestran los rangos (naranja y rojo) de las relaciones de velocidad sísmica (lnVs:lnVp) para diferentes materiales propuestos como fuentes de zonas de velocidad ultrabaja: óxido rico en hierro, (Fe0.84Mg0.16)O; FeOOH0.7 tipo pirita (posible composición de óxido del núcleo); fundidos de carbono-hierro, (Fe-C) fundidos; perovskita de silicato y fundidos parciales del manto, (Mg,Fe)SiO3+fundidos parciales; y silicato sólido posperovskita, PPv (Fe0.4Mg0.6)SiO3.

Estas diferencias pueden variar con la cantidad de material en el manto, pero cada material generalmente exhibe un rango característico de valores para la relación logarítmica diferencial de V s a V p (ln V s :ln V p ) [ Chen , 2021], que se puede utilizar para distinguir materiales en tomogramas sísmicos (Figura 2). Se sabe a partir de experimentos de física mineral que esta relación oscila entre un límite inferior de 1,2 a 1 y un límite superior de 4,5 a 1 para todos los materiales posibles que explican el origen de las ULVZ. Dentro de este rango más amplio, las proporciones de óxido del núcleo (FeOOH x de tipo pirita) se encuentran entre 1,6 a 1 y 2 a 1 y son distintas de los otros materiales.

Evidencia de los orígenes de Core Rust

Hasta ahora, los sismólogos han muestreado alrededor del 60 % del CMB en su búsqueda de ULVZ y han identificado casi 50 ubicaciones de anomalías sísmicas, que representan hasta el 20 % del área del CMB, que podrían representar ULVZ. La mayoría de estas áreas están acopladas con grandes provincias de baja velocidad de corte (LLSVP) en el manto más bajo y muestran una ln V s : ln V p de alrededor de 3 a 1, lo que sugiere una fusión parcial (Figura 2).

Sin embargo, algunos de ellos, ubicados en los márgenes o fuera del LLSVP debajo del Pacífico, muestran una relación de mejor ajuste de aproximadamente 2: 1 [ Chen , 2021]. Por ejemplo, una ULVZ en la frontera norte de la LLSVP del Pacífico (alrededor de 9N, 151W) [ Hutko et al. , 2009] y un grupo de ULVZs debajo del norte de México (alrededor de 24N, 104W) [ Havens y Revenaugh , 2001] cada uno tiene relaciones ln V s : ln V p que sugieren la presencia de FeOOH x tipo pirita.

Una característica común de estas ULVZ es que están ubicadas en una región del CMB donde las temperaturas son relativamente bajas, unos cientos de kelvin más bajas que las temperaturas promedio dentro del LLSVP. Las bajas temperaturas sugieren que estas zonas fueron producidas por un mecanismo distinto al derretimiento. En particular, se ha identificado que la región debajo del norte de México comprende los restos de subducción profunda depositados hace aproximadamente 200 millones de años al oeste de América del Norte y Central, lo que respalda la idea de que el agua liberada de la losa de subducción podría haber oxidado el núcleo externo en el CMB.

Las consecuencias de un núcleo oxidado

Fig. 3. El óxido del núcleo (FeOOH 0.7) podría formarse cuando una losa de subducción relativamente fría que lleva minerales hidratados se encuentra con el núcleo exterior. Impulsados ​​por la convección del manto, los depósitos de óxido del núcleo de esta región fría podrían luego migrar a lo largo del límite entre el núcleo y el manto hacia una región más caliente en la raíz de una pluma del manto, donde podría volverse inestable y descomponerse en hematita (FeO), agua (HO) y oxígeno (O). Crédito: Mary Heinrichs/AGU

Se cree que el mineral dominante en el manto inferior de la Tierra, la bridgmanita, tiene poca capacidad para albergar agua. Sin embargo, la oxidación del núcleo podría producir un depósito de agua de alta capacidad en el CMB. El óxido de FeOOH x puede contener aproximadamente un 7 % de agua en peso [ Tang et al. , 2021]. Debido a que el óxido del núcleo es más pesado que el manto promedio, este depósito de agua tendería a permanecer en el CMB. Por lo tanto, en teoría, el agua puede transportarse y almacenarse justo fuera del núcleo, al menos hasta que la convección del manto la lleve lejos de las regiones más frías cerca de los restos de losas subducidas y la vuelva térmicamente inestable (Figura 3).

Si esta agua profunda regresa a la superficie y cuándo, dependerá en gran medida de la estabilidad térmica de la oxidación del núcleo. Algunos científicos, sobre la base del trabajo experimental, han afirmado que FeOOH x puede sobrevivir solo hasta 2400 K bajo la presión en el CMB [ Nishi et al. , 2017], mientras que otros han observado la presencia de FeOOH x a 3.1003.300 K a una presión similar [ Liu et al. , 2017]. Pero sea cual sea la temperatura máxima que puede soportar FeOOH x , es probable que cuando el óxido del núcleo migre a regiones más calientes del CMB, siguiendo el flujo de convección del manto, se descomponga en hematita, agua y oxígeno. Este proceso ofrece una posible explicación alternativa para la historia de oxigenación de la atmósfera terrestre.

La evidencia geológica, isotópica y química sugiere que la atmósfera de la Tierra era anóxica en su mayor parte o en su totalidad durante el eón Arcaico. Después del Arcaico, la primera introducción de oxígeno molecular en la atmósfera comenzó hace unos 2.400 millones de años en el GOE. El segundo gran aumento en el oxígeno atmosférico, el NOE, ocurrió hace unos 750 millones de años, acercando las concentraciones al nivel actual.

Hasta el momento, no existe una explicación convincente para este aumento y disminución del oxígeno atmosférico durante el Gran Evento de Oxidación basado en la fotosíntesis de las cianobacterias.

Las causas de estos eventos de oxigenación siguen siendo inciertas. Una posible explicación del GOE es la aparición de cianobacterias, el precursor de la fotosíntesis temprana de las plantas. La NOE, que se produjo casi 2000 millones de años después, se ha atribuido a un rápido aumento de la fotosíntesis marina ya un aumento del fotoperíodo (es decir, más horas de luz diurna) [ Klatt et al. , 2021].

Pero estas explicaciones están lejos de ser impecables. Por ejemplo, además de un gran desajuste en el tiempo entre la aparición de cianobacterias en la Tierra y el GOE, varios estudios han indicado la posibilidad de que un gran aumento en el oxígeno atmosférico al comienzo del GOE fuera seguido por una caída profunda a niveles más bajos que se extendieron. durante unos cientos de millones de años. Hasta el momento, no existe una explicación convincente para este auge y caída basada en la fotosíntesis de las cianobacterias.

Además, aunque se acepta ampliamente que el GOE elevó las concentraciones de oxígeno atmosférico solo modestamente en comparación con el aumento durante el NOE, los experimentos de laboratorio que investigan la influencia del fotoperíodo en la exportación neta de oxígeno de las capas microbianas que albergan comunidades fotosintéticas y quimiosintéticas competitivas sugieren un resultado contradictorio. [ Klatt et al. , 2021]. En lugar de que emergiera más oxígeno de dichas esteras como resultado de una luz diurna más prolongada en el NOE, los experimentos indicaron que el aumento en la duración del día, de 21 a 24 horas, durante el NOE puede haber provocado solo alrededor de la mitad del aumento de oxígeno observado cuando el NOE. el fotoperíodo aumentó a 21 horas durante el GOE.

Los cambios atribuidos a las cianobacterias y la duración del fotoperíodo no brindan una explicación completa o consistente de los aumentos de oxígeno atmosférico durante el GOE o NOE, y no se pueden descartar mecanismos alternativos para los orígenes de estos eventos.

Subducción, Migración, Convección, Erupción

Décadas de investigación no han producido evidencia concluyente sobre cuándo comenzó la tectónica de placas en la Tierra. Sin embargo, algunos estudios recientes indican que la subducción comenzó a traer minerales hídricos al manto profundo antes de hace 3.300 millones de años. Y los estudios experimentales han demostrado que los minerales hídricos en las losas en subducción son capaces de transmitir agua hasta el CMB [ Ohtani , 2019]. Si es así, la oxidación podría haber ocurrido tan pronto como la primera losa antigua se encontró con el núcleo. El óxido del núcleo podría haberse acumulado gradualmente en el CMB, dando lugar a ULVZ. A medida que la pila migró alejándose de la región de subducción más fría sobre el núcleo externo fundido, impulsada por la convección del manto, se habría calentado y probablemente se volvería inestable cuando llegara a una región más caliente donde se originó una pluma del manto (Figura 3).

La eliminación neta de agua de la superficie y el almacenamiento en el manto profundo en la roya del núcleo podría haber contribuido a la aparición de continentes en el Arcaico.

Así como las erupciones volcánicas típicas ocurren de manera intermitente, la descomposición de la oxidación del núcleo impulsada por la temperatura podría resultar en explosiones intermitentes de oxígeno en la superficie. En contraste con el aumento gradual de oxígeno de la fotosíntesis de las cianobacterias, tal explosión podría haber liberado oxígeno más rápido de lo que el entorno de la superficie podría responder y consumirlo, provocando un rápido aumento inicial y una posterior caída de los niveles de oxígeno atmosférico.

La acumulación de una gran pila de óxido central y su migración al sitio de descomposición térmica podría tomar mucho más tiempo en comparación con la duración de las erupciones de magma en la superficie. De hecho, algunas pilas que se formaron pueden no haber alcanzado una región lo suficientemente caliente como para causar descomposición, y su flotabilidad negativa en medio del manto profundo circundante las habría mantenido en el CMB. El registro geológico sugiere que la superficie de la Tierra estuvo completamente cubierta por océanos hasta hace unos 3200 millones de años. La eliminación neta de agua de la superficie y el almacenamiento en el manto profundo en la roya del núcleo podría haber contribuido a la aparición de continentes en el Arcaico, aunque los cambios en la topografía de la superficie impulsados ​​por la tectónica de placas y el crecimiento de continentes flotantes también contribuyeron a esta aparición.

Un cambio de paradigma potencial

Aunque todo el mundo puede ver que el hierro se oxida en la superficie de la Tierra, por desgracia, nadie puede probar directamente que el núcleo de hierro líquido de la Tierra, a 2.900 kilómetros por debajo de la superficie, se está oxidando de forma similar. Sin embargo, los estudios continuos ayudarán a eliminar capas de incertidumbre y responderán preguntas importantes, como si la oxidación del núcleo es responsable del GOE y el NOE.

En particular, se necesitan más experimentos de laboratorio para determinar con precisión los límites de la estabilidad térmica y composicional del óxido central en equilibrio con el hierro fundido en las condiciones del CMB. Por ejemplo, necesitamos investigar el equilibrio entre el óxido del núcleo y el hierro líquido a alta presión y alta temperatura. Otros estudios podrían examinar la estabilidad térmica de la oxidación del núcleo a altas presiones. Estos experimentos son desafiantes pero factibles con las capacidades experimentales actuales de las celdas de yunque de diamante calentadas con láser.

Si todas las piezas del rompecabezas encajan, entonces la oxidación del núcleo puede ser un generador de oxígeno interno masivo en la Tierra y el próximo gran evento de oxigenación atmosférica podría estar en camino.

Además, se necesita trabajo adicional para resolver cuándo comenzó la subducción y, específicamente, cuándo comenzó la subducción húmeda, que lleva los minerales hidratados al interior profundo. La evidencia geoquímica sugiere que la subducción húmeda no comenzó hasta hace 2250 millones de años, en lugar de 3300 millones. Este comienzo tardío de la subducción húmeda puede desafiar la hipótesis de que la oxidación del núcleo fue el origen del GOE.

Además, si la convección del manto involucra circulaciones en capas (es decir, celdas de convección separadas en el manto inferior y superior), circulación de todo el manto o algún híbrido de estos escenarios aún requiere aclaración. Si la circulación en capas prevalece en el manto, entonces se evitaría que las losas en subducción ingresen al manto inferior. Por lo tanto, debe existir convección de manto completo o híbrida [ Chen , 2016] para que las losas y los minerales hídricos que transportan lleguen al CMB y potencialmente causen oxidación.

Si todas las piezas del rompecabezas encajan en su lugar, entonces la oxidación del núcleo puede, de hecho, ser un generador de oxígeno interno masivo en la Tierra y el próximo gran evento de oxigenación atmosférica podría estar en camino. La posibilidad de tal evento generaría todo tipo de preguntas sobre los efectos que podría tener en el medioambiente, el clima y la habitabilidad en el futuro. A corto plazo, confirmar que la oxidación del núcleo de la Tierra provocaría un cambio de paradigma en nuestra comprensión del interior profundo del planeta y cómo ha influido fundamentalmente en las condiciones y la vida en la superficie.

Este artículo apareció originalmente en EOS Magazine y se volvió a publicar bajo una licencia Creative Commons.

reconocimientos

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias bajo la Subvención No. EAR-1723185.

Referencias

Chen, J. (2016), Materiales del manto inferior bajo presión, Science , 351 (6269), 122123, https://doi.org/10.1126/science.aad7813.

Chen, J. (2021), Seguimiento del origen de las zonas de velocidad ultrabaja en la base del manto terrestre, Natl. ciencia Rev. , 8 (4), nwaa308, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa308.

Havens, E. y J. Revenaugh (2001), Un estudio sísmico de banda ancha del manto inferior debajo de México: Restricciones en la elasticidad y densidad de la zona de velocidad ultrabaja, J. Geophys. Res. , 106 (B12), 30,80930,820, https://doi.org/10.1029/2000JB000072.

Hu, Q., et al. (2016), FeO 2 y FeOOH en condiciones profundas del manto inferior y ciclos de oxígeno e hidrógeno de la Tierra, Nature , 534 (7606), 241244, https://doi.org/10.1038/nature18018.

Hutko, AR, T. Lay y J. Revenaugh (2009), Análisis de apilamiento de matriz doble localizado de la estructura PcP: D y ULVZ debajo de la placa de Cocos, México, Pacífico central y Pacífico norte, Phys. Planeta Tierra. Enterrar. , 173 (1), 6074, https://doi.org/10.1016/j.pepi.2008.11.003 .

Klatt, JM, et al. (2021), Posible vínculo entre la tasa de rotación de la Tierra y la oxigenación, Nat. Geosci. , 14 (8), 564570, https://doi.org/10.1038/s41561-021-00784-3.

Liu, J., et al. (2017), Peróxido de hierro que contiene hidrógeno y el origen de las zonas de ultra baja velocidad, Nature , 551 , 494497, https://doi.org/10.1038/nature24461.

Mao, H.-K., et al. (2017), Cuando el agua se encuentra con el hierro en el límite del manto central de la Tierra, Natl. ciencia Rev. , 4 (6), 870878, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx109.

Nishi, M., et al. (2017), La forma de alta presión tipo pirita de FeOOH, Nature , 547 (7662), 205208, https://doi.org/10.1038/nature22823.

Ohtani, E. (2019), El papel del agua en el manto de la Tierra, Natl. ciencia Rev. , 7(1), 224232, https://doi.org/10.1093/nsr/nwz071.

Tang, R., et al. (2021), Química y P V T ecuación de estado de FeO 2 H x en la base del manto inferior de la Tierra y sus implicaciones geofísicas, Sci. Toro. , 66 (19), 1,9541,958, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.05.010 .

Williams, Q. y EJ Garnero (1996), Evidencia sísmica de fusión parcial en la base del manto de la Tierra, Science , 273 (5281), 1,5281,530, https://doi.org/10.1126/science.273.5281 .1528 .

"