Entendiendo el manto de la Tierra debajo de Hawái
En los años 60s, unos 50 años después de que el investigador alemán Alfred Wegener propusiera su hipótesis de la deriva continental, la teoría de la tectónica de placas proporcionó a los científicos un marco unificador para describir el movimiento a gran escala de las placas superficiales que componen la litosfera de la Tierra, un marco que posteriormente revolucionó las geociencias, explica el Dr. Chunquan Yu, del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias, Instituto Tecnológico de Massachusetts, EE. UU..
La forma en que esas placas se mueven alrededor de la superficie de la Tierra está controlada por el movimiento dentro del manto, cuya fuerza motriz es la convección debido a anomalías térmicas, y una componente de heterogeneidad. Sin embargo, el desafío técnico de visualizar estructuras dentro de una esfera de roca de 6,371 kilómetros de radio ópticamente impenetrable ha hecho que el entendimiento del estado compositivo y térmico del manto, así como su evolución dinámica, sea un desafío en las ciencias de la Tierra.
En este artículo se informa de evidencia directa de variaciones laterales en la composición del manto debajo de Hawái. Los resultados proporcionan a los científicos nuevas e importantes ideas sobre cómo ha evolucionado la Tierra a lo largo de su historia de 4,500 millones de años, por qué es como es ahora y lo que esto significa para los planetas rocosos en otros lugares.
Los científicos tratan el manto como dos capas, el manto inferior y el manto superior, separadas por una capa límite denominada zona de transición del manto (MTZ; mantle transition zone). Físicamente, la MTZ está limitada por dos discontinuidades de velocidad sísmica cerca de 410 km y 660 km de profundidad (llamadas 410 y 660). Estas discontinuidades, que se deben a transiciones de fase en minerales de silicato, juegan un papel importante en la modulación del flujo del manto. Las variaciones laterales en la profundidad de estas discontinuidades se han utilizado ampliamente para inferir anomalías térmicas en el manto, ya que la física mineral predice un nivel más somero de 410 y uno más profundo de 660 en regiones frías y un 410 más profundo y un 660 mas somero en regiones cálidas.
Estudios petrológicos y numéricos previos también predicen la segregación composicional del material basáltico y harzburgítico (y, por lo tanto, la heterogeneidad compositiva) cerca de la base de la MTZ en los entornos relativamente cálidos de baja viscosidad cerca de las surgencias del manto. Pero la evidencia observacional para tal proceso ha sido escasa.
El nuevo estudio, sin embargo, demuestra una clara evidencia de variación lateral en la composición cerca de la base de la MTZ debajo de Hawái. Esta evidencia podría tener implicaciones importantes para la comprensión general de la dinámica del manto.
El Dr. Yu explica que "En crestas meso-oceánicas, la separación de placas resulta en material del manto ascendente y parcialmente fundido. Tal proceso causa la diferenciación de la litosfera oceánica con material basáltico en la corteza y residuo harzburgitico en el manto. A medida que la litosfera oceánica diferenciada se enfría, vuelve a descender al manto a lo largo de la zona de subducción. El basalto y la harzburgita son difíciles de separar en ambientes fríos. Sin embargo, pueden segregarse en entornos relativamente cálidos de baja viscosidad, como las surgencias cercanas al manto, lo que podría proporcionar una fuente importante de heterogeneidad composicional en el manto de la Tierra".
Para explorar esta idea, el Dr. Yu y sus colegas utilizaron una técnica sísmica que incluye el análisis de las reflexiones de la onda de corte de las discontinuidades del manto, conocidas como precursores de las SS, para estudiar las estructuras MTZ debajo del océano Pacífico alrededor de Hawái.
"Cuando ocurre un sismo, irradia energía tanto de compresión (P) como de onda de corte (S). Ambas ondas P y S pueden reflejarse desde las interfaces en el interior de la Tierra", explica el Dr. Yu. "Si una onda S deja una fuente hacia abajo y se refleja en la superficie libre antes de llegar al receptor, se denomina SS. Los precursores de SS son reflejos de onda S de la parte inferior de las discontinuidades del manto. Debido a que viajan a lo largo de trayectorias de rayos más cortas, son precursoras de SS".
Utilizando una nueva técnica de arreglo sísmico, el equipo pudo mejorar la relación señal/ruido de los precursores SS y eliminar las fases de interferencia. Como resultado, muchos datos que de otro modo habrían sido descartados se volvieron accesibles para el análisis.
También se utilizó el llamado análisis de amplitud versus compensación, una herramienta ampliamente utilizada en sismología de exploración, para restringir las propiedades elásticas cerca de las discontinuidades de la MTZ.
El análisis encuentra fuertes variaciones laterales en contrastes radiales en la densidad de masa y velocidad de onda en 660 mientras que no se observaron tales variaciones a lo largo de 410. Complementando esto, el modelado termodinámico del equipo, a lo largo de un rango de temperaturas del manto para varias composiciones de manto representativas, excluye un origen térmico para las variaciones laterales inferidas en los contrastes elásticos en 660. En cambio, los contrastes inferidos 660 pueden explicarse por variación lateral en la composición del manto: desde el manto promedio debajo de Hawái (pirolítico, aproximadamente 60 por ciento olivino) a una mezcla con más harzburgita fundida (aproximadamente 80 por ciento de olivino) al sureste del punto caliente. Dicha heterogeneidad es consistente con las predicciones numéricas de que la segregación de material basáltico y harzburgítico podría ocurrir cerca de la base de la MTZ cerca de las surgencias calientes del manto profundo como la que a menudo se invoca de causar la actividad volcánica en Hawái.
"Se ha sugerido que la componente de segregación entre materiales basálticos y harzburgíticos podría formar una capa gravitacionalmente estable sobre la base de la MTZ. De ser así, puede proporcionar un filtro para el descenso de placas y las surgencias del manto inferior, y por lo tanto afecta en gran medida el modo de convección del manto y su circulación química ", indica el Dr. Yu.
Este estudio presenta una técnica prometedora para obtener restricciones sobre la distribución de la heterogeneidad dentro del manto de la Tierra. La componente de la segregación cerca de la base de la MTZ ha sido esperada desde la década de 1960 y la evidencia de que este proceso efectivamente ocurre tiene implicaciones importantes para la comprensión de la evolución química de la Tierra.
Chunquan Yu. Compositional heterogeneity near the base of the mantle transition zone beneath Hawaii. Nature Communications doi:10.1038/s41467-018-03654-6
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| Créditos: Chunquan Yu |
En este artículo se informa de evidencia directa de variaciones laterales en la composición del manto debajo de Hawái. Los resultados proporcionan a los científicos nuevas e importantes ideas sobre cómo ha evolucionado la Tierra a lo largo de su historia de 4,500 millones de años, por qué es como es ahora y lo que esto significa para los planetas rocosos en otros lugares.
Los científicos tratan el manto como dos capas, el manto inferior y el manto superior, separadas por una capa límite denominada zona de transición del manto (MTZ; mantle transition zone). Físicamente, la MTZ está limitada por dos discontinuidades de velocidad sísmica cerca de 410 km y 660 km de profundidad (llamadas 410 y 660). Estas discontinuidades, que se deben a transiciones de fase en minerales de silicato, juegan un papel importante en la modulación del flujo del manto. Las variaciones laterales en la profundidad de estas discontinuidades se han utilizado ampliamente para inferir anomalías térmicas en el manto, ya que la física mineral predice un nivel más somero de 410 y uno más profundo de 660 en regiones frías y un 410 más profundo y un 660 mas somero en regiones cálidas.
Estudios petrológicos y numéricos previos también predicen la segregación composicional del material basáltico y harzburgítico (y, por lo tanto, la heterogeneidad compositiva) cerca de la base de la MTZ en los entornos relativamente cálidos de baja viscosidad cerca de las surgencias del manto. Pero la evidencia observacional para tal proceso ha sido escasa.
El nuevo estudio, sin embargo, demuestra una clara evidencia de variación lateral en la composición cerca de la base de la MTZ debajo de Hawái. Esta evidencia podría tener implicaciones importantes para la comprensión general de la dinámica del manto.
El Dr. Yu explica que "En crestas meso-oceánicas, la separación de placas resulta en material del manto ascendente y parcialmente fundido. Tal proceso causa la diferenciación de la litosfera oceánica con material basáltico en la corteza y residuo harzburgitico en el manto. A medida que la litosfera oceánica diferenciada se enfría, vuelve a descender al manto a lo largo de la zona de subducción. El basalto y la harzburgita son difíciles de separar en ambientes fríos. Sin embargo, pueden segregarse en entornos relativamente cálidos de baja viscosidad, como las surgencias cercanas al manto, lo que podría proporcionar una fuente importante de heterogeneidad composicional en el manto de la Tierra".
Para explorar esta idea, el Dr. Yu y sus colegas utilizaron una técnica sísmica que incluye el análisis de las reflexiones de la onda de corte de las discontinuidades del manto, conocidas como precursores de las SS, para estudiar las estructuras MTZ debajo del océano Pacífico alrededor de Hawái.
"Cuando ocurre un sismo, irradia energía tanto de compresión (P) como de onda de corte (S). Ambas ondas P y S pueden reflejarse desde las interfaces en el interior de la Tierra", explica el Dr. Yu. "Si una onda S deja una fuente hacia abajo y se refleja en la superficie libre antes de llegar al receptor, se denomina SS. Los precursores de SS son reflejos de onda S de la parte inferior de las discontinuidades del manto. Debido a que viajan a lo largo de trayectorias de rayos más cortas, son precursoras de SS".
Utilizando una nueva técnica de arreglo sísmico, el equipo pudo mejorar la relación señal/ruido de los precursores SS y eliminar las fases de interferencia. Como resultado, muchos datos que de otro modo habrían sido descartados se volvieron accesibles para el análisis.
También se utilizó el llamado análisis de amplitud versus compensación, una herramienta ampliamente utilizada en sismología de exploración, para restringir las propiedades elásticas cerca de las discontinuidades de la MTZ.
El análisis encuentra fuertes variaciones laterales en contrastes radiales en la densidad de masa y velocidad de onda en 660 mientras que no se observaron tales variaciones a lo largo de 410. Complementando esto, el modelado termodinámico del equipo, a lo largo de un rango de temperaturas del manto para varias composiciones de manto representativas, excluye un origen térmico para las variaciones laterales inferidas en los contrastes elásticos en 660. En cambio, los contrastes inferidos 660 pueden explicarse por variación lateral en la composición del manto: desde el manto promedio debajo de Hawái (pirolítico, aproximadamente 60 por ciento olivino) a una mezcla con más harzburgita fundida (aproximadamente 80 por ciento de olivino) al sureste del punto caliente. Dicha heterogeneidad es consistente con las predicciones numéricas de que la segregación de material basáltico y harzburgítico podría ocurrir cerca de la base de la MTZ cerca de las surgencias calientes del manto profundo como la que a menudo se invoca de causar la actividad volcánica en Hawái.
"Se ha sugerido que la componente de segregación entre materiales basálticos y harzburgíticos podría formar una capa gravitacionalmente estable sobre la base de la MTZ. De ser así, puede proporcionar un filtro para el descenso de placas y las surgencias del manto inferior, y por lo tanto afecta en gran medida el modo de convección del manto y su circulación química ", indica el Dr. Yu.
Este estudio presenta una técnica prometedora para obtener restricciones sobre la distribución de la heterogeneidad dentro del manto de la Tierra. La componente de la segregación cerca de la base de la MTZ ha sido esperada desde la década de 1960 y la evidencia de que este proceso efectivamente ocurre tiene implicaciones importantes para la comprensión de la evolución química de la Tierra.
Chunquan Yu. Compositional heterogeneity near the base of the mantle transition zone beneath Hawaii. Nature Communications doi:10.1038/s41467-018-03654-6
