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Los rayos X revelan la estructura interna del antiguo océano de magma de la Tierra

Los rayos X revelan la estructura interna del antiguo océano de magma de la Tierra
Usando la fuente de rayos X más brillante del mundo, se ha conseguido por primera vez en la historia echar un vistazo a las condiciones del magma fundido que se encuentra en el manto más profundo de la Tierra.

El análisis ha revelado que el basalto fundido sufre cambios en su estructura cuando se expone a una presión de hasta 60 gigapascales (GPa), que corresponden a una profundidad de alrededor de 1400 kilómetros por debajo de la superficie terrestre. En esas condiciones extremas, el magma se vuelve más rígido y más denso. Los resultados apoyan la idea de que el manto de la Tierra primitiva albergaba dos océanos de magma separados por una capa cristalina. Hoy en día estos supuestos océanos han cristalizado, pero el magma todavía existe en bolsas locales y capas delgadas.

Estas investigaciones, que se acaban de publicar en la revista Nature, han sido dirigidas por Chrystèle Sanloup, de la Universidad de Edimburgo, quien comenta que “los silicatos líquidos como el magma basáltico juegan un papel clave en todas las etapas de la evolución de las profundidades de la Tierra, que van desde la base y la corteza formadas hace miles de millones de años hasta la actividad volcánica de hoy en día”.

Para investigar el comportamiento del magma en el manto profundo, los investigadores han exprimido pequeños trozos de basalto dentro de una celda de yunque de diamante, aplicando hasta aproximadamente 600.000 veces la presión atmosférica estándar. “Pero para investigar el magma basáltico, como todavía existe en bolsas locales dentro del manto de la Tierra, primero tuvimos que fundir las muestras”, explicó la coautora del estudio Zuzana Konôpková, de DESY, (Deutsches Elektronen-Synchrotron) que ha dado apoyo a los experimentos que se han hecho en Condiciones Extremas de Línea de Luz (BCE) en PETRA III (la nueva fuente de radiación ultrabrillante de tercera generación que se encuentra en DESY.

El equipo ha utilizado dos láseres infrarrojos cada uno de los cuales concentraba una potencia de hasta 40 vatios en una zona de 20 micrómetros (millonésimas de metro) de diámetro, que es aproximadamente 2000 veces la densidad de potencia en la superficie del sol. Una alineación inteligente de la óptica láser permitió al equipo disparar el láser de calefacción adecuado a través de los yunques de diamante. Con esta única configuración, las muestras de basalto podrían ser calentadas hasta los 3.000 grados centígrados en tan sólo unos segundos, hasta que estaba completamente fundido. Para evitar el sobrecalentamiento de la célula yunque de diamante, que habría sesgado las mediciones de rayos X, el láser de calefacción sólo se encendía durante unos segundos antes y mientras se tomaban los patrones de difracción de rayos X. Estos tiempos de recolección de datos tan cortos, cruciales para este tipo de experimentos de fusión, son sólo posibles gracias al alto brillo de los rayos X del BCE. “Por primera vez pudimos estudiar los cambios estructurales en el magma fundido en un amplio rango de presiones” comenta Konôpková .

Los rayos X de gran alcance demuestran que el llamado número de coordinación de silicio, el elemento químico más abundante en los magmas, aumenta su masa fundida del 4 al 6 bajo alta presión, lo que significa que los iones de silicio se reordenan en una configuración en la que cada uno tiene seis vecinos más cercanos de oxígeno en lugar de los cuatro habituales en condiciones ambientales. Como resultado, la densidad del basalto aumenta desde aproximadamente 2,7 gramos por centímetro cúbico (g/cc) a baja presión hasta casi 5 g/cc a 60 GPa. “Una pregunta importante es cómo sucede este cambio del número de coordinación en el estado fundido, y cómo eso afecta a las propiedades físicas y químicas”, explica Sanloup. “Los resultados demuestran que los cambios en el número de coordinación del 4 al 6 en los magmas se dan gradualmente desde 10 GPa hasta 35 Gpa, y una vez se alcanza esta presión los magmas son mucho más rígidos, lo que es mucho menos compresible”. En contraste, en los cristales de silicato del manto, el cambio de número de coordinación se produce bruscamente a 25 GPa, y define el límite entre el manto superior y el inferior.

Este peculiar comportamiento permite la posibilidad de océanos de magma en capas en el interior de la Tierra primitiva. “A baja presión, los magmas son mucho más comprimibles que sus homólogos cristalinos, mientras por encima de 35 Gpa son casi tan rígidos como ellos”, explica Sanloup. “Esto implica que en los principios de la historia de la Tierra, cuando empezó a cristalizar, el magma pudo haber tenido flotabilidad negativa en las partes inferiores de ambos mantos, el superior y el inferior, lo que comportó la existencia de dos océanos de magma, separadas por una capa cristalina, como habían propuesto anteriormente otros científicos”.

Bajo las altas presiones de la parte inferior del manto terrestre, el magma se vuelve tan denso que las rocas ya no se hunden en él y flotan en la parte superior. De esta forma, la frontera cristalizada entre un océano de magma superior y otro basal podría haberse formado cuando la Tierra era joven. La existencia de dos océanos de magma separados había sido postulada para conciliar las estimaciones geocronológicas de la duración de la época del océano de magma con los modelos de enfriamiento del magma fundido. Si bien las estimaciones geocronológicas cifran una duración de unas pocas decenas de millones de años para la época en la que existió el océano de magma, los modelos de enfriamiento demuestran que un solo océano de magma se habría enfriado mucho más rápido, en tan sólo un millón de años. Una capa cristalina habría aislado térmicamente al océano de magma, lo que retrasó significativamente su enfriamiento. Hoy en día todavía hay restos del océano de magma basal, en forma de bolsas de fusión, que han sido detectados por procedimientos sismológicos cerca del núcleo de la Tierra.

 
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