Cómo los científicos revelaron los secretos de las aguas profundas de la Tierra

Un estudio innovador revela que el agua de la superficie de la Tierra llega al núcleo, cambiando su composición y sugiriendo una interacción más dinámica entre el núcleo y el manto y un complejo ciclo global del agua.

Hace unas décadas, los sismólogos que tomaron imágenes del planeta profundo identificaron una capa delgada de poco más de unos cientos de kilómetros de espesor. El origen de esta capa, conocida como capa primaria E, ha sido hasta ahora un misterio.

Un equipo internacional de investigadores, incluidos los científicos de la Universidad Estatal de Arizona Dan Shim, Taehyun Kim y Joseph O’Rourke de la Facultad de Exploración de la Tierra y el Espacio, ha revelado que el agua de la superficie de la Tierra puede penetrar profundamente en el planeta, cambiando su composición. La región exterior del metal líquido se nuclea y forma una capa delgada característica.

Su investigación fue publicada el 13 de noviembre en la revista. Ciencias Naturales de la Tierra.

Proceso de transporte en aguas profundas.

Las investigaciones indican que durante miles de millones de años, el agua superficial ha sido transportada a las profundidades de la Tierra mediante la subducción o subducción de placas tectónicas. Al alcanzar el límite entre el núcleo y el manto, a unas 1.800 millas debajo de la superficie, esta agua desencadena una reacción química profunda que cambia la estructura del núcleo.

Ilustración del interior de la Tierra que muestra agua en subducción y una columna de magma ascendente. En la interfaz donde el agua incrustada se encuentra con el núcleo, se produce un intercambio químico para formar una capa rica en hidrógeno en la parte superior externa del núcleo y sílice densa en la parte inferior del manto. Crédito: Universidad Yonsei

Reacciones químicas en el límite entre el núcleo y el manto.

Junto con Young Jae Lee de Universidad Yonsei En Corea del Sur, Shim y su equipo demostraron mediante experimentos de alta presión que el agua sumergida reacciona químicamente con materiales básicos. Esta reacción forma una capa rica en hidrógeno y empobrecida en silicio, transformando la región superior externa del núcleo en una estructura similar a una película. Además, la reacción genera cristales de sílice que ascienden y se fusionan en el manto. Se espera que esta capa de mineral líquido modificado sea menos densa y con velocidades sísmicas más bajas, lo que coincide con las características anómalas mapeadas por los sismólogos.

Interacción núcleo-manto y efectos globales.

«Durante muchos años, se pensó que el intercambio físico entre el núcleo de la Tierra y su manto era pequeño. Sin embargo, nuestros recientes experimentos de alta presión revelan una historia diferente. «Descubrimos que cuando el agua alcanza el límite entre el núcleo y el manto, interactúa con el silicio en el núcleo», dijo Shim. , formando sílice». «Este descubrimiento, junto con nuestra observación previa de diamantes que se forman a partir de la reacción del agua con el carbono en hierro líquido bajo presión extrema, indica una interacción mucho más dinámica. entre el núcleo y el manto, lo que indica un intercambio físico significativo”.

Este descubrimiento mejora nuestra comprensión de los procesos internos de la Tierra, sugiriendo un ciclo global del agua más extenso de lo que se creía anteriormente. La «capa» cambiante del núcleo tiene profundas implicaciones para los ciclos geoquímicos que vinculan el ciclo del agua superficial con el núcleo mineral profundo.

Referencia: “Una capa rica en hidrógeno en el núcleo externo superior se origina en agua profundamente sumergida” por Taehyun Kim, Joseph J. O’Rourke, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim y Youngjae Lee, 13 de noviembre de 2023, Ciencias Naturales de la Tierra.
DOI: 10.1038/s41561-023-01324-x

El estudio fue realizado por un equipo internacional de geocientíficos que utilizaron técnicas experimentales avanzadas en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne y PETRA III del Deutsches Elektronen-Synchrotron en Alemania para replicar las condiciones extremas en el límite entre el núcleo y el manto.

Los miembros del equipo y sus funciones clave en ASU son Kim, quien comenzó este proyecto como estudiante de doctorado visitante y ahora es investigador postdoctoral en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio; Wasim, profesor de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio, que dirigió el trabajo experimental de alta presión; O’Rourke, profesor asistente en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio, realizó simulaciones computacionales para comprender la formación y continuidad de la delgada capa cambiante en el núcleo. Lee dirigió el equipo de investigación de la Universidad de Yonsei, junto con los científicos investigadores principales Vitaly Prakapinka y Stella Chariton de Advanced Photon Source y Rachel Zug, Nico Giordano y Hans-Peter Lerman del Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Este trabajo fue apoyado por el Programa de Ciencias de la Tierra de NSF.