Un cuarto mineral destaca en el manto inferior de la Tierra
Un nuevo experimento de alta presión que emplea métodos diferentes de calentamiento en laboratario ha revelado un mineral principal adicional, el cuarto, que reside en el manto inferior terrestre.
Durante más de siete décadas, la mineralogía del manto inferior --que representa el 55 % del volumen de la Tierra-- se ha estudiado extensamente. Las décadas de estudios, incluidos experimentos de laboratorio, simulaciones computacionales y el estudio de inclusiones en diamantes profundos, llevaron a la conclusión de que el manto inferior consta de tres minerales principales: bridgmanita, ferropericlasa y davemaoita.
Entre estos tres elementos principales, dos minerales, la bridgmanita y la davemaoita, tienen estructuras cristalinas denominadas de tipo perovskita. Esta estructura también es ampliamente conocida en física, química e ingeniería de materiales, ya que algunos materiales con estructura de tipo perovskita han mostrado superconductividad.
A poca profundidad, los minerales con estructuras cristalinas similares a menudo se fusionan y se convierten en minerales únicos, generalmente en un entorno de alta temperatura. Por ejemplo, el mineral diópsido tiene tanto calcio como magnesio y es estable en la corteza. Sin embargo, a pesar de la similitud estructural, los estudios existentes han demostrado que la davemaoita, rica en calcio, y la bridgmanita, rica en magnesio, permanecen separadas en todo el manto inferior.
"¿Por qué la davemaoita y la bridgmanita no se fusionan a pesar de que tienen estructuras a escala atómica muy similares? Esta pregunta ha fascinado a los investigadores durante dos décadas", dijo en un comunicado Sang-Heon Dan Shim, profesor de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio en ASU (Arizona State University) y autor principal del nuevo hallazgo, que publica Nature.
"Se han hecho muchos intentos para encontrar condiciones en las que estos dos minerales se fusionen, pero la respuesta de los experimentos ha sido consistentemente dos minerales separados. Aquí sentimos que necesitábamos algunas ideas nuevas y frescas en los experimentos", explicó.
El nuevo experimento fue una oportunidad para que el grupo de investigación probara varias técnicas de calentamiento para comparar métodos. En lugar de aumentar la temperatura lentamente en los experimentos convencionales de alta presión, aumentaron la temperatura muy rápido a la alta temperatura relacionada con el manto inferior, alcanzando 1.650-1.920 Celsius en un segundo. La razón de esto fue que una vez que se forman dos minerales con estructura de perovskita, les resulta muy difícil fusionarse incluso si entran en condiciones de temperatura en las que un solo mineral de perovskita debería ser estable.
Al calentar las muestras rápidamente a las temperaturas objetivo, los investigadores pudieron evitar la formación de dos minerales con estructura de perovskita a bajas temperaturas. Una vez que alcanzan la temperatura del manto inferior, monitorean qué minerales se forman durante 15 a 30 minutos utilizando haces de rayos X en la Advanced Photon Source. Descubrieron que solo se forma un solo mineral de perovskita, inesperado de los experimentos anteriores. Descubrieron que a temperaturas suficientemente altas superiores a 1.920 grados Celsius, la davemaoita y la bridgmanita se convierten en un solo mineral en la estructura de tipo perovskita.
"Se ha creído que una gran diferencia de tamaño entre el calcio y el magnesio, los principales cationes de la davemaoita y la bridgmanita, respectivamente, debería impedir que estos dos minerales se fusionen", dijo el coautor Byeongkwan Ko, ahora investihador en Michigan State. "Pero nuestro estudio muestra que pueden superar esa diferencia en ambientes cálidos".
Los experimentos sugieren que el manto inferior más profundo con una temperatura suficientemente alta debería tener una mineralogía diferente a la del manto inferior más superficial. Debido a que el manto era mucho más cálido en la Tierra primitiva, los nuevos resultados del grupo indican que la mayor parte del manto inferior tenía entonces un solo mineral con estructura de perovskita, lo que significa que la mineralogía difería del manto inferior actual.
Esta nueva observación tiene una variedad de impactos sustanciales en nuestra comprensión de la Tierra profunda. Muchas observaciones sísmicas han demostrado que las propiedades del manto inferior más profundo son diferentes de las del manto inferior más superficial. Se informa que los cambios son graduales. Se muestra que la fusión de bridgmanita y davemaoita es gradual en los experimentos del grupo de investigación.
Además, las propiedades de una roca con tres minerales principales, bridgmanita, ferropericlasa y davemaoita, no concuerdan bien con las propiedades del manto inferior más profundo. Ko y sus colaboradores predicen que estos problemas no resueltos pueden explicarse por una fusión de bridgmanita y davemaoita en un nuevo mineral con estructura de perovskita.