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Geofísica

El elemento subterráneo

Simulaciones sugieren que una parte considerable del carbono existente en el planeta estaría en las profundidades de la Tierra

Cálculos de un trío de físicos teóricos de la Universidad de São Paulo (USP) suministraron una nueva pista que puede ser útil para develar uno de los principales enigmas acerca de la composición y el funcionamiento del interior de la Tierra: ¿dónde están las reservas ultraprofundas que contienen el 90% del carbono del planeta? Las simulaciones computacionales realizadas por Michel Marcondes y Lucy Assali, del Instituto de Física (IF), y João Francisco Justo Filho, de la Escuela Politécnica, sugieren que algunos de estos depósitos de carbono podrían estar escondidos en manchas subterráneas de alrededor 1.000 kilómetros (km) de extensión y 100 km de espesor por donde las ondas sísmicas viajan relativamente más despacio.

Estas manchas, denominadas zonas de baja velocidad sísmica o sencillamente ULVZ (Ultra Low Velocity Zones), se encuentran sobre todo en el segmento final de una capa de la Tierra conocida como manto inferior, con una profundidad de entre 660 km y 2.890 km (vea la figura). De acuerdo con un estudio publicado por los brasileños en septiembre, en la revista científica Physical Review B, el elemento carbono tiende a no mezclarse como una impureza en medio de los depósitos de minerales a base de silicio, las llamadas perovskitas silicáticas, predominantes en el manto inferior. En lugar de unirse, éste se separa de las perovskitas silicáticas y forma sus propios depósitos de minerales tales como la magnesita (MgCO3) y el carbonato de calcio (CaCO3).

Los físicos aplicaron las leyes de la mecánica cuántica para simular en computadora la estructura atómica de algunos tipos de minerales en las condiciones del manto inferior, donde las temperaturas llegan a miles de grados Celsius y las presiones son millones de veces más altas que en la superficie terrestre. Luego calcularon cómo se comportarían esos minerales cuando los atravesase una onda sísmica generada por un terremoto. “La presencia de los minerales de carbono disminuye considerablemente la velocidad de propagación de las ondas, tal como ocurre en las ULVZs”, dice Marcondes. En los depósitos de minerales a base de silicio, los movimientos sísmicos viajaron más rápido. Marcondes utilizó las técnicas que aprendió con Renata Wentzcovitch, física brasileña de la Universidad de Minnesota, Estados Unidos, quien desarrolla métodos computacionales para estudiar la estructura atómica de ciertos materiales en las condiciones extremas de temperatura y presión del interior de la Tierra, cuya reproducción en laboratorio es sumamente difícil (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 198).

“En los últimos 500 km del manto inferior existen grandes zonas donde las velocidades de las ondas sísmicas son alrededor de un 5% más lentas que la velocidad media”, explica el geofísico Marcelo Assumpção, del Centro de Sismología del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP. “Antes se creía que el origen de las mismas tenía que ver con fluctuaciones de temperatura en el manto inferior. Pero estudios recientes han venido demostrando que variaciones en la composición química de las capas geológicas, tales como la presencia de más o menos sílice, hierro o carbonatos, son necesarias para explicar las observaciones”. El trabajo de Marcondes y sus colegas apunta que un mayor porcentaje de minerales ricos en carbono, como las magnesitas y los carbonatos de calcio, podría ser la explicación para la existencia de ULVZs. “Resta saber cómo se habría acumulado esa concentración de carbonatos en el manto inferior, pero ésa ya es otra historia.”

Didier Descouens/ Wikimedia Commons Muestra de magnesita, mineral carbonático que parece originarse en el manto inferiorDidier Descouens/ Wikimedia Commons

El otro ciclo del carbono
Las teorías sobre el origen del Sistema Solar sugieren que la concentración total de carbono en la Tierra debería ser más o menos la misma de las rocas existentes en un tipo de meteorito, los condritos carbonáceos, cuya composición química permaneció prácticamente inalterada desde la época de formación del planeta, hace alrededor de 4.500 millones de años. Sin embargo, cuando los investigadores suman la cantidad de carbono presente en todas las fuentes conocidas –en la atmósfera, en los océanos, en la superficie de la corteza terrestre y a algunas decenas de kilómetros debajo de la misma–, este valor llega tan sólo al 10% de lo esperado. “Ese carbono faltante debe estar en algún lugar”, dice Marcondes, quien abordó este problema en su tesis doctoral, defendida en septiembre. “Existen evidencias de que el 90% restante está almacenado en regiones profundas del interior de la Tierra.”

El carbono es la base química de la vida, y circula por la superficie terrestre de una manera que los científicos conocen muy bien. Como gas metano (CH4), monóxido (CO) o dióxido de carbono (CO2), se encuentra presente en la atmósfera. A través de la fotosíntesis, algas y plantas retiran CO2 del aire y fijan carbono en forma de materia orgánica, que eventualmente se descompondrá y entonces el mismo quedará depositado en reservas de combustibles fósiles en capas de roca de la corteza continental y oceánica. La respiración de los vegetales y los animales, además de los procesos de combustión, le devuelven el carbono al aire.

Sin embargo, investigaciones recientes en las áreas de sismología y geoquímica han indicado que ese ciclo superficial del carbono estaría vinculado a otro, más lento y profundo. En el transcurso de decenas de millones de años, las rocas del manto se comportan como un fluido. Sus corrientes descendentes podrían arrastrar consigo grandes fragmentos de la corteza oceánica, repletos de carbono, que se hundirían hasta el manto inferior. En tanto, las corrientes ascendentes del manto podrían traer parte del carbono ultraprofundo a la superficie. Una evidencia de ello, según explica Marcondes, son los llamados diamantes ultraprofundos, como los que se descubrieron en las minas del municipio de Juína, en el estado de Mato Grosso. Son pequeños trozos de diamante cuyas impurezas químicas indican que, antes de ser transportados a la superficie por erupciones volcánicas, se originaron en profundidades superiores a los 670 km. La mayoría de los diamantes se forman a unos 150 km por debajo de la superficie.

De acuerdo con un informe publicado en 2014 por el Observatorio del Carbono Profundo, un programa de investigación coordinado por Robert Hazen, geofísico del Instituto Carnegie, Estados Unidos, la localización exacta de las reservas de carbono profundo y su extensión aún constituyen una gran incógnita. Con todo, en dicho informe se arriba a la conclusión de que el carbono puede estar inserto en una gran variedad de materiales, además de en los diamantes ultraprofundos y los minerales carbonáticos. Puede encontrarse bajo la forma de microorganismos que viven en las profundidades de la corteza terrestre o en una docena de tipos de sólidos y líquidos que están mezclados con el manto y con el núcleo terrestre. “Es un tema sumamente complicado”, dice Marcondes. “Tardaremos mucho todavía para hallar una respuesta definitiva.”

Artículo científico
MARCONDES, M. L. et al. Carbonates at high presures: Posible carriers for deep carbon reservoirs in the Earth’s lower mantle. Physical Review B. v. 94, n. 10. Sep. 2016.

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