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Abrir la Tierra

Físicos describen detalladamente las estructuras y las transformaciones minerales que se producen en regiones profundas del interior del planeta

CARLOS FIORAVANTI | Edición internacional | ENERO 2013

 

Publicado en agosto de 2012

Puede parecer más sencillo llegar a la Luna –situada a casi 400 mil kilómetros de distancia– o enviar sondas para conocer otros planetas que conocer la composición y el funcionamiento del interior de la Tierra, una esfera casi perfecta de 12 mil kilómetros (km) de diámetro. Las perforaciones de sondeo han alcanzado una profundidad de tan sólo 12 km, apenas atravesando la corteza, la capa más superficial. Y como no pueden examinar directamente el interior del planeta, los científicos se valen de simulaciones computadas para comprender cómo se forma y se transforma la masa sólida de minerales de las capas más profundas del interior del planeta cuando es sometida a presiones y temperaturas centenares de veces más altas que las de la superficie. Como resultado de ello, se están detectando minerales que se forman a miles de kilómetros de la superficie, y se admite ya que es posible que exista un volumen de agua mayor que un océano disperso entre la densa masa rocosa ubicada bajo nuestros pies.

La física brasileña Renata Wentzcovitch, investigadora de la Universidad de Minnesota, Estados Unidos, es la artífice de descubrimientos fundamentales sobre el interior del planeta empleando precisamente técnicas matemáticas y computacionales que desarrolla desde 1990. En 1993, Wentzcovitch dilucidó la estructura atómica de la perovskita a altas presiones. La perovskita es el mineral más abundante en el manto inferior, la capa más extensa del interior del planeta, con un espesor de 2.200 km, bastante menos conocida que las capas más externas (obsérvese la infografía a continuación, referente a las capas del interior de la Tierra).

En 2004, ella y su equipo identificaron la posperovskita, un mineral resultante de la transformación de la perovskita sometida a presiones y temperaturas centenares de veces más altas que las de la superficie, tal como ocurre en las regiones más profundas del manto. Estos resultados ayudaron a suministrar una explicación sobre las velocidades de las ondas sísmicas generadas por los terremotos, que varían de acuerdo con las propiedades de los materiales que atraviesan y representan uno de los medios más utilizados para comprender la composición del interior de la Tierra. En los últimos tiempos, nuevos estudios de Wentzcovitch señalaron que la posperovskita tiende a disociarse en óxidos elementales, tales como el de magnesio y el de silicio, a medida que la presión y la temperatura aumentan todavía más, tal como sucede en el interior de los planetas gigantes: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

“Poseemos los medios para descubrir la constitución y las diferencias de composición del interior de los planetas”, dice. Según ella, las técnicas que ha desarrollado pueden prever el comportamiento de estructuras cristalinas complejas, conformadas por más de 150 átomos. “A lo largo del manto terrestre, las estructuras cristalinas de los minerales son diferentes, pero la composición química de las capas del interior de la Tierra parece ser uniforme”.

Mediante trabajos como el efectuado por su grupo, ahora comienza a notarse mejor de qué modo los minerales del interior de la Tierra tienden a perder elasticidad y hacerse más densos cuando son sometidos a alta presión y temperatura, las cuales aumentan con la profundidad. En función del aumento de la presión, se cree que la densidad en el centro de la Tierra –formado por una masa sólida de hierro a una temperatura cercana a los 6.000 grados Celsius (ºC)– sería de unos 13 gramos por centímetro cúbico, cuatro veces mayor que la de la superficie, lo cual indica que en un mismo volumen caben cuatro veces más átomos.

Sin espacio para la ficción y apegados a rigurosos métodos, como lo son el análisis de los resultados obtenidos en cálculos teóricos, de experimentos en laboratorio, de estudios geológicos y de la velocidad de las ondas sísmicas, físicos, geofísicos, geólogos y geoquímicos están “abriendo” el planeta y ampliando el conocimiento sobre las regiones de masa rocosa compacta ubicadas debajo del límite de los 600 km, que marca el comienzo de una región más densa del manto, la denominada zona de transición, a partir de la cual el conocimiento era escaso. Los expertos consideran que podrán comprender mejor –y tal vez algún día prever– los terremotos y los tsunamis, además de detectar yacimientos minerales más fácilmente que ahora, si logran determinar la composición y los fenómenos ocurrentes en las regiones inaccesibles del interior del planeta.

Océanos sumergidos
Incluso de las capas más externas están surgiendo novedades, que deshacen la antigua imagen del interior del planeta como una secuencia de capas regulares semejantes a las de una cebolla. En 2003, mediante detallados estudios mundiales, investigadores de Estados Unidos comenzaron a descubrir irregularidades en la corteza, cuyo espesor varía entre 20 y 68 km, lo que hace que las regiones más delgadas se encuentren sujetas a terremotos y las más espesas, a colapsos.

“Ahora vemos la interacción entre la corteza y la zona más superficial del manto”, comentó el geofísico Walter Mooney, del Servicio Geológico de Estados Unidos, en el Frontiers in Earth Science, un encuentro que tuvo lugar a comienzos de julio en la Universidad de São Paulo (USP). Los geofísicos de Estados Unidos están revaluando las posibles consecuencias de dos fenómenos que ocurren con la corteza. El primero es la subducción de las placas tectónicas –porciones móviles y rígidas de la litósfera, la capa superficial que incluye a la región más externa del manto– en regiones más profundas del manto, amplificando el riesgo de temblores terrestres en las regiones en que ello ocurre. Los datos repiten las conclusiones de un estudio reciente coordinado por Marcelo Assumpção, profesor del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP. Graduado en física, Assumpção, asociado con investigadores de la Universidad de Brasilia, verificó que los temblores de tierra en Brasil ocurren con mayor frecuencia en regiones donde la corteza y la litósfera son más delgadas y, por ende, más frágiles.

Otro fenómeno visualizado ahora es la entrada de agua en la litósfera, debajo de la corteza. Lo desconcertante es que el agua no podría almacenarse en la corteza inferior debido a la presión ejercida por las capas rocosas y por la temperatura de alrededor de 205 ºC; por lo tanto, se evaporaría rápidamente. En realidad, lo que existe en el interior de la Tierra no es exactamente agua, sino los componentes de la molécula de agua, hidrógeno y oxígeno, ligados a la estructura cristalina de los minerales en forma de H2O (agua) u OH (oxhidrilo).

Mooney y su equipo detectaron una intensa intromisión acuática en regiones de los Andes donde la corteza alcanza 65 km de espesor, pero no supieron explicar la razón de ese fenómeno. “¿Dónde se almacena ese agua? ¿Cuál es su volumen?”, se preguntó frente a colegas de varios países que asistieron a la reunión científica en la USP. Quizá, comentó, el agua provenga de las placas tectónicas que se hunden o se separan. Los expertos observaron que la litósfera sin agua es geológicamente más antigua, mientras que la hidratada es más reciente, lo que indica que la hidratación podría contribuir a la formación o transformación de las capas más externas o incluso del manto más profundo, cercano al núcleo.

Las moléculas de agua son importantes pues, “incluso en proporciones ínfimas, del orden del 0,1%, pueden modificar la viscosidad de los materiales, y por lo tanto la visión sobre la circulación de materia y energía en el interior de la Tierra”, comenta el físico João Francisco Justo Filho, docente de la Escuela Politécnica de la USP que trabaja junto a Renata Wentzcovitch desde 2007. “Una gran cantidad de agua puede hallarse escondida en el manto inferior, en los minerales”, afirma el geoquímico Francis Albarède, de la Escuela Normal Superior de Lyon, en Francia. “Quizá el equivalente a un océano entero”. O incluso más, “acaso varios océanos”, medita Wentzcovitch. Mediante cálculos informáticos, ella comenzó a estudiar las posibilidades de que dos átomos de hidrógeno sustituyan al magnesio unido con el oxígeno y formen unidades de H2O. “Cuanto más investigamos, hallamos mayor cantidad de defectos en las estructuras cristalinas, donde podría combinarse el hidrógeno”, añade. El problema reside en que no se sabe cuánto hidrógeno puede hallarse almacenado en el manto.

Más abajo, la incertidumbre aumenta, frente a la imposibilidad de medir con precisión lo que sucede a 6.000 km de profundidad. Todavía se conoce poco sobre la composición del núcleo terrestre, tan denso que concentra el 30% de la masa del planeta en dos regiones, una externa, líquida, y otra interna, sólida, donde la temperatura puede sobrepasar los 6.000 ºC. Un equipo de la University College London utilizó el mismo abordaje conceptual que el grupo de Minnesota, la teoría funcional de densidad, para estimar la intensidad del flujo calórico proveniente de la región limítrofe entre el núcleo y el manto, a partir de la cantidad de hierro, oxígeno, azufre y silicio sugerida por las velocidades de las ondas sísmicas que atraviesan el núcleo y por el flujo de calor del manto inferior. Los resultados, que se publicaron en mayo en la revista Nature, indicaron que el flujo calórico que emana del núcleo sería entre dos y tres veces mayor que el estimado previamente. Hacia dónde fue o va esa energía, nadie lo sabe.

Minerales en descomposición
Diversos estudios en curso se enfocan en el manto, una densa capa sólida, levemente flexible, que se deforma muy lentamente, tal como ocurre con el alquitrán. A no ser en las raras ocasiones en que el magma emerge a través de los volcanes, trayendo material del manto, los estudios se realizan en forma indirecta, mediante el monitoreo de la velocidad de las ondas sísmicas, y resulta difícil saber directamente lo que sucede en el manto. Los japoneses planean ir más allá del record de los 12 km perforados y alcanzar el manto utilizando un navío con una sonda similar a la de un petrolero. La misión, anunciada en el mes de julio en la revista New Scientist, no será sencilla: los materiales de los taladros que se utilizarán para perforar la corteza y llegar al manto deben resistir presiones 2 mil veces mayores que las de la superficie y temperaturas cercanas a 900 ºC, una tarea similar al plan de extracción de petróleo de la capa de presal del litoral paulista.

“Yo cocino rocas, para entender cómo se formaron”, dice el geólogo Guilherme Mallmann, investigador del Instituto de Geociencias de la USP, quien adoptó otro método para conocer mejor el interior del planeta. En el laboratorio, somete los componentes químicos que constituyen los minerales a altas presiones y temperaturas. No obstante, los hornos y prensas como los que él usa, sólo permiten reproducir los fenómenos que ocurren hasta los 150 km de profundidad, la región del manto superior en la que se forma el magma, que a veces emerge a través de los volcanes. Las condiciones de presión más profundas del interior de la Tierra también pueden alcanzarse experimentalmente, según él, pero eso resulta mucho más complicado. Como la presión es el resultado de la fuerza sobre una determinada área, el volumen del material analizado tendría que ser muy reducido para alcanzar esas presiones altísimas. “Construir prensas mayores es generalmente inviable”.

La perovskita, denominada así en homenaje al mineralogista ruso Lev Perovski, se forma en ambientes sometidos a presiones y temperaturas elevadas que, en el manto inferior, pueden variar de 23 a 135 gigapascales (1 gigapascal es unas 10 mil veces mayor que la presión en la superficie terrestre) y entre 2.000 ºC y 4.000 ºC. Wentzcovitch exhibió la estructura cristalina de ese mineral –un silicato de magnesio y hierro– en 1993, en la revista Physical Review Letters, mediante rombos verdes y amarillos, en alusión a la bandera brasileña. La razón era simple: “Nostalgia”, dice la investigadora, quien reside en las ciudades gemelas Mineápolis-Saint Paul, con 2,5 millones de habitantes, cerca de la frontera con Canadá, donde la temperatura durante el invierno puede mantenerse en -20 ºC durante semanas.

En colaboración con físicos de Italia y Brasil, ella verificó que los átomos de hierro de un mineral denominado ferropericlasa, el segundo más abundante en el manto inferior, pierden una de sus propiedades más distintivas, el magnetismo, explicando así un fenómeno que ya se observara en laboratorio. En 2007, Justo Filho trabajó en Minnesota con Wentzcovitch y juntos desarrollaron una serie de ecuaciones que establecen el cambio de las propiedades elásticas y las velocidades sísmicas durante la sorprendente pérdida de magnetismo del hierro como resultado del aumento de la presión en el mineral ferropericlasa.

“El tamaño del átomo de hierro disminuye cuando pierde el momento magnético y así se convierte en el más denso, ferropericlasa. Además, los minerales con hierro se ablandan durante el lento proceso de densificación, tal como ya se había observado en el laboratorio, aunque aún no se lo había explicado”, dice Justo Filho. Se trata de un fenómeno sorprendente porque lo normal es que el material se endurezca cuando se torna más denso.

Los resultados a los que arribaron ambos científicos fueron publicados en 2009 en la revista PNAS y explicaron la pérdida de magnetismo bajo presión y temperatura equivalentes a las del manto inferior, que James Bedro, de las Universidades de París 6 y 7, había detectado en laboratorio e informado en la revista Science en 2003 y 2004. La verificación experimental de ese fenómeno, uno de los grandes descubrimientos de la geofísica en los últimos años, indicó que la proporción de hierro no magnético puede aumentar con la profundidad y, asimismo, que las capas más profundas del manto inferior pueden incluso ser más densas que las menos profundas.

La trayectoria
Cuando era una preadolescente, a Wentzcovitch le agradaba hacer las pruebas de matemática que su abuelo Adolfo Foffano le hacía hacer todos los días que pasaban juntos, durante las vacaciones de fin de año en Sumaré, en el interior paulista. Ella estudió física en la Universidad de São Paulo y llegó a Berkeley, Estados Unidos, en 1983, por recomendación de José Roberto Leite y Cylon Gonçalves da Silva.

La trayectoria de Wentzcovitch incluyó una temporada en Cambridge y en Londres, entre 1990 y 1992, luego de haber ampliado las posibilidades de utilización de sus técnicas de simulaciones de materiales. Sus nuevas técnicas eran tan vastas que servían para estudiar el movimiento atómico y las transformaciones de estructuras cristalinas en altas presiones y temperaturas. Para ello, utilizó el denominado cálculo de primeros principios, que se basa en la teoría funcional de la densidad, cuya esencia es sencilla: la energía total de un conjunto de electrones en estado de equilibrio depende de la densidad total de electrones.

Al cabo de mucho trabajo, lo había logrado. “En menos de un mes, con mis técnicas, resolví la estructura del silicato de magnesio a alta presión, en la que los investigadores de Cambridge trabajaban desde hacía dos años”, comenta. Resolver una estructura, explica, “significa detectar la posición de equilibrio y los grados de libertad de una estructura cristalina con cierta simetría que minimizan la energía interna”. Hasta entonces, tan sólo se podían determinar con facilidad estructuras tales como la del diamante, formada por dos átomos en su base y un grado de libertad que se refleja en la distancia existente entre los átomos de carbono. La estructura de la perovskita posee 20 átomos de silicio, magnesio y oxígeno, y 10 grados de libertad, “siendo mucho más compleja que la estructura de los semiconductores y, por ello, su comportamiento en altas presiones hasta ese entonces era desconocido”, agrega.

Al principio, uno de sus problemas consistía en que no podía verificar experimentalmente sus previsiones teóricas. Empero, en 2003, trabajando con investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, Renata y su equipo de Minnesota analizaron el espectro de rayos X que difería bastante de lo esperado en presiones tan altas. Y arribaron a la conclusión de que había ocurrido una transformación de fase –o modificación de la estructura cristalina– en una estructura desconocida. “Al principio no podía creerlo”, dice, “¡es que la perovskita parecía ser tan estable!”. Al año siguiente, un artículo en la revista Science daba cuenta de la nueva estructura cristalina: la posperovskita, actualmente considerada el material más abundante en la región del manto conocida como D”, en contacto con la capa externa del núcleo de la Tierra. “La posperovskita explica muchas características geofísicas de esa región de la Tierra”, observó Mallmann, de la USP.

La posperovskita presenta una estructura en capas, a través de las cuales viajan las ondas sísmicas, a velocidades que dependen de la dirección inicial. Este trabajo reforzó la conclusión de otros estudios que señalaban que ese mineral podría formarse a diferentes profundidades del manto inferior.

En el informe publicado en la revista Science, en su edición del 24 de marzo de 2004, el físico Surendra Saxena, de la Universidad Internacional de Florida, en Estados Unidos, cuestionó las conclusiones, alegando que todavía creía que la perovskita solamente se descompone en las regiones del manto más cercanas al núcleo; y recordó que la teoría aún no era perfecta, aunque estudios posteriores sobre la propagación de las ondas sísmicas parecen confirmar la presencia de posperovskita en la región D”.

“Tuvimos mucha suerte”, comentó Wentzcovitch. “Los resultados de los cálculos computacionales de velocidades en la posperovskita son sorprendentes, ya que reproducen muchas observaciones sismológicas de la región D”, hasta entonces inexplicables. No se trata de una mera coincidencia”.

También en 2004, cuando ese trabajo comenzó a circular, Wentzcovitch recibió una financiación por valor de 3 millones de dólares de la National Science Foundation, de Estados Unidos, para montar el Laboratorio Virtual de Materiales Planetarios y Terrestres (VLab) en el Instituto de Supercomputación de la Universidad de Minnesota. El VLab agrupó a químicos, físicos, científicos computacionales, geofísicos y matemáticos, quienes, motivados por la posible existencia de posperovskita en otros planetas, comenzaron a percibir las probables transformaciones que los minerales podrían sufrir en el interior de los planetas gigantes del sistema solar –Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno–, con masas al menos 10 veces superiores a la de la Tierra, bajo presiones y temperaturas todavía mayores.

Los resultados obtenidos por el grupo, del mismo modo que los detallados en la revista Science en 2006, presentando las probables transformaciones del silicato de magnesio en los planetas gigantes más cercanos a la Tierra, indicaron que estas técnicas de cálculo pueden resultar útiles para estudiar la evolución de los planetas. “Los patrones de comportamiento de los minerales en planetas diversos no pueden constituir una mera coincidencia”, sostuvo, frente a la audiencia que la escuchaba atentamente durante el seminario realizado en la USP.

Las simulaciones del comportamiento de materiales en grandes profundidades y los estudios experimentales, sobre todo cuando coinciden, ayudan a definir los fenómenos que ocurren en el interior de la Tierra. En el mes de julio, investigadores franceses anunciaron que lograron reproducir en laboratorio las condiciones ambientales atribuidas al límite entre el núcleo externo y el manto inferior. Demostraron, por medio de análisis de rayos X, que las rocas parcialmente derretidas cuando se las somete a altas temperaturas y presión, pueden desplazarse en dirección a la superficie terrestre, originando islas volcánicas, tal como es el caso de las que conforman el archipiélago de Hawai.

Una Tierra más real
Los nuevos informes sobre el interior del planeta promueven el trabajo de grupos brasileños de investigación en geofísica básica, enfocados en el examen de la Tierra a gran escala, en São Paulo, Río de Janeiro, Rio Grande do Norte, el Distrito Federal y Rio Grande do Sul.

Vistos en conjunto, los resultados ayudan a construir una imagen más sólida de la Tierra, que ha sido representada en forma variada durante los últimos siglos. El conocimiento al respecto de la estructura de la Tierra ha avanzado bastante desde 1912, cuando el geofísico alemán Alfred Wegener concluyó que la Tierra estaría formada por placas rígidas que se desplazan, y se aleja cada vez más de las imágenes poéticas de Viaje al centro de la Tierra, la magnífica obra del escritor francés Julio Verne, publicada en 1864. “Ahora sabemos que el interior de la Tierra, a diferencia de lo que escribiera Julio Verne”, asegura Justo Filho, “es absolutamente misterioso y ciertamente inhabitable”. No por ello, añade Assumpção, nuestro planeta deja de ser fascinante.

El proyecto
Simulación y modelado de minerales a altas presiones (nº09/14082-3); Modalidad: Proyecto temático; Coordinador: João Francisco Justo Filho – USP; Inversión R$ 184.378,73

Artículos científicos
Wentzcovitch, R.M. et al. Ab initio molecular dynamics with variable cell shape: Application to MgSiO3. Physical Review Letters. v. 70, p. 3.947-50. 1993.
Tsuchiya, T. et al. Phase transition in MgSiO3 perovskite in the earth’s lower mantle. Earth and Planetary Science Letters. v. 224, n. 3-4, p. 241. 2004.
Wentzcovitch, R.M. et al. Anomalous compressibility of ferropericlase throughout the iron spin crossover. PNAS. v. 106, p. 8.447-52. 2009.


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