Desvelando el misterio de la formación de nuestro planeta Understand article

Traducido por Mª Fabiola Lacueva Pérez. El estudio de la composición química de algunas de las rocas más antiguas del planeta ha revolucionado nuestra comprensión de la formación de los continentes.

Imagen cortesía de Reto
Stöckli, Nazmi El Saleous y
Marit Jentoft -Nilsen, NASA
GSFC

A veces, incluso los fragmentos de roca más diminutos, pueden esconder grandes secretos. El análisis químico reciente de rocas africanas ha revelado que los continentes podrían haber empezado a formarse más de un billón de años antes de lo que se había pensado hasta ahora.

Nuestro globo ha cambiado a lo largo del tiempo

La Tierra se formó hace unos 4,6 billones de años a partir del material de una nube gigante llamada la nebulosa solar. La gravedad provocó que este material se acumulara en forma de esfera – La Tierra – con lo más denso en el centro y lo menos denso en el manto. La corteza y la parte superficial del manto – que constituyen la litosfera – formaron placas rígidas, que se mueven horizontalmente sobre la parte más maleable del manto superior – la astenosfera (figura 1).

Figura 1: Tanto bajo la corteza oceánica (A) como bajo la continental (B) se encuentra el manto, dividido en el manto superior (C) y el inferior (D), también conocido como astenosfera. Juntos, corteza y manto superior, forman la litosfera (E).

El movimiento de las placas tectónicas puede crear zonas de subducción, en las que zonas de la litosfera (E) se introduce en la astenosfera (D). La subducción es un proceso lento que se produce a elevada presión (en torno a los 10 kbar) y a una temperatura inferior a los 500ºC con un gradiente térmico inferior a los 15ºC por kilómetro.
Imagen cortesía de Nicola Graf

La organización de estas placas ha cambiado dramáticamente a lo largo del tiempo (figura 2). Entre hace unos 2,5 y 4 millones de años – durante lo que se conoce como el eón Arcaico – la litosfera se dividió en dos placas menores que los continentes actuales. Posteriormente, durante el eón Proterozoico, todas las placas se juntaron, formando un gran supercontinente llamado Rodinia. Tradicionalmente, se ha pensando que esto sucedió hace 1000 millones de años. Posteriormente, los continentes comenzaron a separarse de estas masas, formando progresivamente el globo tal y como lo conocemos hoy. La fragmentación de Rodinia se considera tectónica actual y tradicionalmente se ha pensado que habría comenzado haceunos 900 millones de años.

Figura 2: La evolución de la litosfera desde el eon Arcaico hasta la actualidad:

A) Durante el eón Arcaico (hace entre 4 y 2,5 billones de años), la litosfera se dividió en placas menores.

B) Se piensa que hace en torno a 1 billón de años, durante el eón Proterozoico, las placas se unieron formando una única masa continental: Rodinia.
1: Siberia; 2: Australia; 3: Antártida oriental; 4:Laurentia; 5: Báltica; 6: Amazonia; 7: África Occidental; 8: Cratón del Congo; 9: India.

C) Cuando los continentes comenzaron a separarse y a unirse de nuevo, formaron progresivamente el globo que conocemos hoy. Tradicionalmente se ha pensado que comenzó durante el eón Proterozoico, hace unos 900 millones de años.
Imágenes cortesía de Hervé Martin (A, C), Kieff / Wikimedia Commons (B)

A medida que el proceso sucedía, las placas colisionaron. Cuando una placa se mueve bajo otra y se hunde en el manto, se dice que se produce subducción (figura 1). La subducción es un proceso lento que sucede a presión elevada (sobre unos 10 kbar) y a una temperatura inferior a 500ºC, y con un gradiente térmico inferior a 15ºC por kilómetro.

Datando rocas africanas

Figura 3: Esquisto verde de la
región de Essakane en el
noreste de Burkina Faso. Al
fondo se puede ver un tipo
de rocas volcánicas
débilmente metamorfoseadas
llamadas basaltos
.
Imagen cortesía de Lenka
Baratoux

Sin embargo, nuestra intención no era estudiar las placas tectónicas. Por el contrario, el propósito de nuestro estudio era utilizar una nueva técnica para aprender más sobre la formación de rocas metamórficas hace unos 2 billones de años. No esperábamos ninguna implicación con la tectónica de placas, que generalmente se piensa comenzó casi 1 billón de años después.

Para la primera parte de nuestro estudio visitamos numerosos yacimientos geológicos en África (figura 3) y recogimos muestras de esquisto verde. Estas rocas se sabe que sufrieron metamorfosis – el cambio de un tipo de roca a otro – hace unos 2 billones de años. En base al conocimiento previo sobre las rocas metamórficas de ese periodo, se pensó que deberían haberse formado bajo condiciones de baja presión (no mayor a 5 kbar) y temperaturas entre 200 y 700ºC.

Figura 4: Mapeo químico de
una roca metamórfica
compleja que contiene
cuarzo(A), granate (B),
fengita (C), clorito (D) y
óxidos de hierro (Ox). La
imagen se obtuvo en el
ESRF utilizando un haz de
rayos X muy intenso
.
Imagen cortesía de Vincent
de Andrade

Después, estudiamos la mineralogía de estas muestras de rocas utilizando una microsonda electrónica. Esta incluye diversas técnicas microscopía de barrido electrónico entre ellas, que distingue los elementos pesados, que dispersan los electrones, de los ligeros que no lo hacen. También se realizó un mapeo químico que señala donde se encuentran determinados minerales.

Figura 5: Mapeo fino químico
cualitativo mostrando tres
tipos de óxidos de hierro:
Ox1, pobre en Fe3+; Ox3, rico
en Fe3+; y Ox2, con niveles
medios de Fe3+. La imagen se
obtuvo en el ESRF utilizando
un haz de rayos X muy
intenso
.
Imagen cortesía de Vincent de
Andrade

Además, también realizamos experimentos en el Centro Europeo de Radiación Sincrotón (European Synchrotron Radiation Facility ESRF; Ver recuadro) para dilucidar la estructura química fina de alguna de nuestras muestras. Los haces de rayos X sincrotron son billones de veces más brillantes que los haces producidos por un aparato de rayos X hospitalario, permitiendo conocer la estructura de la materia con un nivel de detalle inalcanzable con los rayos X estándar.

Utilizando láminas de roca muy finas, fuimos capaces de mapear su composición química. Averiguamos que contenían cuarzo, granate, fengita y cloritos y óxidos de hierro (figuras 4 y 5). Pero, ¿qué nos dice esto sobre las condiciones bajo las que se formaron las rocas?

Para interpretar nuestros resultados, utilizamos cálculos computacionales basados en los diferentes parámetros químicos medidos. Por ejemplo, analizamos la relación de H2O frente a CO2 en los fluidos atrapados en el cuarzo, y medimos la relación de Fe3+ frente a Fe2+ en las rocas (figura 5). Hay diversos cloritos (p.ej. clorito de magnesio, clorito de hierro) y diferentes formas de fengita (muchas podrían contener, por ejemplo, magnesio o hierro). El tipo preciso de clorita y de fengita observado en las rocas metamórficas depende de las condiciones durante su formación. Estas son los ratios H2O:CO2 y Fe3+:Fe2+ así como la presión y la temperatura. La medida de estos ratios químicos en nuestras rocas nos permite, por tanto, calcular exactamente por extrapolación, las condiciones de presión y temperatura bajo las que se formaron.

Revolucionando la comprensión de la tectónica de placas

Utilizando estos cálculos, se ha demostrado que la composición de los cloritos y las fengitas en las rocas de África occidental se obtuvo bajo elevadas presiones (sobre 10 kbar) y baja temperatura de menos de 500ºC. Esto fue sorprendente porque estas condiciones de presión y temperatura sólo se producen en las zonas de subducción. Dado que las rocas estudiadas datan de hace más de 2 billones de años, nuestros resultados implican que una tectónica de placas del tipo actual se produjo hace 2 billones de años, unos 900 millones de años antes de lo que los científicos habían pensado previamente.

Nuestro descubrimiento modifica la comprensión científica de la geodinámica de la Tierra. Entonces, ¿cuándo comenzó realmente la tectónica de placas actual? ¿Y cómo de extendidos estuvieron estos gigantescos movimientos de tierra? Para abordar estas cuestiones, nuestro siguiente paso fue estudiar otras rocas de la misma edad y antigüedad. En particular, planeamos visitar Yilgarn Craton en Australia y el área de Barberton en Sudáfrica, para examinar rocas metamórficas que contienen fengita y cloritos.

Más sobre ESRF

El Centro Europeo de Radiación Sincrotón (European Synchrotron Radiation Facility, ESRFw1) es una de las fuentes de rayos X más intensas del mundo. Miles de científicos acuden cada año al ESRF para realizar experimentos en ciencia de los materiales, biología, medicina, física, química, paleontología y patrimonio cultural. ESRF es miembro de EIROforumw2, el editor de Science in School.

Situado a los pies de los
Alpes franceses, el Centro
Europeo de Radiación
Sincrotón utiliza haces
brillantes de rayos X para
estudiar la estructura de la
materia. Un sincrotrón es un
tipo de acelerador de
partículas: en el ESRF, la luz
sincrotrón viaja a gran
velocidad por el anillo gris
gigante
.
Imagen cortesía de Ginter /
ESRF

 

Agradecimientos

Los autores quisieran agradecer a Dominique Cornuéjols, del Departamento de Comunicación del ESRF, su ayuda en la preparación y traducción de materiales para este artículo.

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Web References

  • w1 – Aprenda más sobre ESRF.
  • w2 – EIROforum es una colaboración entre ocho de las mayores organizaciones internacionales de investigación científica gubernamental en Europa, que comparten sus recursos, instalaciones y experiencia para apoyar a la ciencia europea en el desarrollo de todo su potencial. Como parte de sus actividades educativas y de participación ciudadana, EIROforum publica Science in School.

Resources

Institution

ESRF

Author(s)

Dr Jérôme Ganne está a cargo del programa de investigación del Instituto de Investigación para el Desarrollo (Research Institute for Development IRD) en el GET Lab en la Universidad de Toulouse III, Francia, donde centra su investigación en los procesos tectónicos que controlan la formación y destrucción de cadenas montañosas. En asociación con el IRD, ha creado un grupo de jóvenes investigadores en la Universidad Cheikh Anta Diop en Dakar, Senegal. También enseña en diversos programas educativos en universidades de África occidental.

Tras conseguir un doctorado en Ciencias de la Tierra, Vicent de Andrade consiguió un puesto científico en el Centro Europeo de Radiación Sincrotón. En 2010, se unió a la National Synchrotron Light Source-II en el Laboratorio Nacional Brookhaven como científico asociado para construir el SRX, un espectroscopio de línea de luz compuesto de micro y nanosondas muy intensas. Vincent se ha especializado en obtener imágenes químicas de geomateriales heterogéneos complejos para una mejor comprensión de su génesis y transformaciones.


Review

Este artículo sobre los descubrimientos de dos científicos es una muestra de la investigación más puntera en tectónica de placas. Con un estilo claro y conciso, los autores guían a los lectores desde la teoría básica sobre la tectónica de placas hasta su investigación, centrándose en sus implicaciones para la historia de la Tierra y en las nuevas preguntas planteadas por su descubrimiento.

Como un profesor de Ciencias de la Tierra encuentro este artículo interesante por diversas razones:

  • Se centra en una época de la historia de la Tierra raramente recogida en los libros de texto escolares.
  • Da un punto de vista interesante sobre el inicio de la tectónica de placas.
  • Proporciona detalles sobre la metodología y el equipo utilizados en su investigación.
  • Es un ejemplo real de uso del método científico.

Recomiendo este artículo a profesores de secundaria aficionados a fomentar el interés de sus alumnos por las ciencias de la tierra y por la investigación científica en general. Su lectura proporcionaría a los estudiantes un conocimiento previo que incrementaría su interés antes de abordar temas normalmente considerados tediosos, como los minerales o la tectónica de placas.

Este texto se relaciona con muchos temas, no sólo de ciencias de la Tierra (historia terrestre, tectónica de placas, ciclo de las rocas, geoquímica, técnicas de investigación, África, minería de oro y cinturones de esquisto verde), sino también de química (óxidos de hierro y reacciones redox) y de física (rayos X y máquinas de radiación sincrotrónica, microscopio de escaneo electrónico, presión, temperatura y transiciones de fase). Además, es un buen caso para analizar el método científico.

Dado el lenguaje en el que está escrito, el artículo puede utilizarse fácilmente como ejercicio de comprensión lectura, por ejemplo:

  1. Los minerales estudiados se formaron bajo condiciones de:
    1. Alta presión (10 kbar) y baja temperatura (menos de 500 °C)
    2. Baja presión (5 kbar) y elevada temperatura (más de 700 °C)
    3. Baja presión (5 kbar) y temperaturas entre 200 y 700 °C
    4. Alta presión (10 kbar) y temperaturas entre 200 y 700 °C.
  2. La composición de los diferentes tipos de cloritos y fengitas depende de:
    1. La relación entre H2O y CO2
    2. La relación entre Fe2+ y Fe3+
    3. La temperatura y presión de formación
    4. Todo lo anterior.

Giulia Realdon, Italia




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