Un nuevo estudio determina un nuevo marco en la evolución de nuestro planeta, y muestra su similitud con la de otros objetos del sistema solar interior, como la Luna y Marte.

El futuro de la Tierra quedó determinado durante su nacimiento. Utilizando técnicas refinadas para el estudio de las rocas, investigadores del DTM del Instituto Carnegie descubrieron que el manto terrestre (la capa entre el núcleo y la corteza) se separó en sub-capas químicamente distintas mucho más temprano y más rápidamente que lo que se creía previamente.

Durante la formación de la Tierra, la desintegración de los isótopos radiactivos de corta vida y el bombardeo de la superficie por grandes objetos calentó el manto terrestre y creó un profundo océano de magma. Su cristalización creó estratos de composición distinta (azules), mientras que el líquido remanente permaneció justo debajo de la corteza primordial.© Maud Boyet

La estratificación sucedió dentro de los 30 millones de años siguientes a la formación del sistema solar, en lugar de ocurrir gradualmente a lo largo de más de cuatro mil millones de años, como sugiere el modelo estándar. El nuevo trabajo fue reconocido por la revista Science, en su número del 23 de diciembre, como uno de los principales descubrimientos de 2005.

Los científicos de Carnegie Maud Boyet y Richard Carlson analizaron isótopos de elementos en muestras de rocas tomadas para su estudio. Como explica Carlson, “los isótopos existen naturalmente en diferentes proporciones y son utilizados para determinar las condiciones en las que se formaron las rocas. Los isótopos radiactivos son particularmente útiles porque se desintegran con una velocidad predecible y pueden relevar la edad de una muestra y cuándo se estableció su composición química”.

En el modelo estándar de la evolución geoquímica de la Tierra, el manto ha estado evolucionando gradualmente a lo largo de los 4 567 millones de años de su historia, principalmente a través de la formación de la químicamente distinta corteza continental.

Poco después de que la materia sólida comenzó a condensarse a partir del gas caliente del sistema solar primitivo, el objeto que se convertiría en la Tierra creció gracias a la colisión y a la acreción de cuerpos rocosos más pequeños. La composición química de estos bloques constitutivos se preserva hasta hoy en los meteoritos primitivos llamados condritas.

En el modelo convencional de la historia terrestre, la mezcla causada por la convección del manto ha borrado esta diferenciación química primitiva. La única variación química en el manto es la causada por la formación de la corteza continental, dejando al manto superior (azul claro) con deficiencias de aquellos elementos concentrados en la corteza (negro), mientras que la mayor parte del manto es todavía similar en su composición con respecto a los meteoritos condríticos a partir de los cuales se formó la Tierra.© Maud Boyet

Durante la década de 1980, los científicos analizaron la proporción de los isótopos del elemento neodimio, perteneciente a las tierras raras, que se encuentra en las condritas y en varias rocas terrestres recogidas en o cerca de la superficie terrestre y descubrieron que las muestras compartían una composición común.

Los investigadores supusieron que esta proporción permaneció constante desde el comienzo de la formación de la Tierra. Utilizando equipos de nueva generación, Boyet y Carlson descubrieron, sorprendentemente, que las muestras terrestres no presentaban la misma proporción que la de los meteoritos.

Comparado con las condritas, todas las rocas terrestres examinadas tenían un exceso de masa del isótopo 142 del neodimio (Nd¹⁴²), que es el producto de la desintegración del ahora desaparecido isótopo del samario de masa 146 (Sm¹⁴⁶), que estaba presente en el nacimiento del sistema solar pero que se desintegró totalmente poco después. El exceso del Nd¹⁴² permitió a los astrónomos determinar cuándo la composición de la Tierra se separó de la de los meteoritos: dentro de los 30 millones de años luego de la formación del sistema solar, lo que representa menos de un 1% de la edad de nuestro planeta.

Para explicar el exceso de Nd¹⁴² descubierto en las muestras terrestres, los científicos de Carnegie suponen que la Tierra estaba casi totalmente fundida durante su formación y que la rápida cristalización del océano terrestre primitivo de magma hizo que el manto se separara en capas químicas claramente diferentes, una conteniendo una alta proporción de Sm con respecto al Nd, similar a la observada hoy en día en la fuente del manto del vulcanismo a lo largo de las cordilleras oceánicas.

El resultado de Boyet y Carlson requiere que la Tierra se haya diferenciado tempranamente, en un período de 30 millones de años, dejando a la mayor parte del manto (azul claro) con carencia de aquellos elementos que prefieren los sólidos fundidos a los cristalizados. El complemento químico del manto carenciado podría ser pequeño y rico en elementos radiactivos tales como el uranio y el torio; este material complementario podría coincidir con la sísmicamente observada capa “D” (en rojo), localizada entre el núcleo y el manto, a unos 2 700 kilómetros de profundidad.© Maud Boyet

El depósito complementario, con poca abundancia de Nd¹⁴², nunca ha sido encontrado en la superficie y por lo tanto podría estar ahora profundamente enterrado en la así llamada capa “D” en la base misma del manto, sobre el núcleo. Esta capa “perdida” debería ser rica en los elementos uranio, torio, y potasio, cuya prolongada desintegración radiactiva calienta el interior de la Tierra y hace que nuestro planeta siga siendo geológicamente activo.

Esta capa caliente sobre el núcleo podría ayudar a mantener fundido al núcleo, de modo que la circulación del hierro líquido pueda producir el campo magnético de la Tierra, y podría instigar los penachos calientes de material del manto ascendiente, que dan nacimiento a las islas volcánicamente activas, tales como Hawai.

Las mediciones de Boyet y Carlson muestran también que las rocas lunares tienen la misma abundancia de Nd¹⁴² que las muestras terrestres, un hallazgo que se agrega a la evidencia de que la Luna se formó a partir de la Tierra.

Como Marte experimentó también una fusión temprana, como queda indicado por la composición química e isotópica de los meteoritos marcianos, los nuevos resultados enlazan ahora la evolución temprana de la Tierra, de Marte y de la Luna, y destaca la importancia de los acontecimientos primitivos en la determinación de las características químicas de los planetas terrestres.

“El trabajo de Boyet y Carlson, cuando se lo une a lo que ya ha sido determinado para la Luna y para Marte, muestra que los primeros días de los planetas interiores, fueron tiempos violentos en la historia del sistema solar”, agrega el director de DTM Sean Solomon. “El trabajo teórico realizado por el científico George Wetherill del Instituto Carnegie había apuntado hacia este resultado, pero ahora tenemos una clara firma química de este episodio de la historia terrestre”.

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Traducido para Astroseti.org por
Heber Rizzo Baladán

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Web Site: EurekAlert
Artículo: “Revising Earth's early history”
Fecha: Diciembre 22, 2005

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