Investigadores estadounidenses han llevado a cabo un nuevo experimento de alta presión en el que se emplean algunos estilos diferentes de calentamiento para revelar un mineral adicional que reside en el manto inferior de la Tierra.
En un artículo publicado en la revista Nature, los científicos explican que durante más de siete décadas se ha estudiado la mineralogía del manto inferior mediante experimentos de laboratorio, simulaciones computacionales y el estudio de las inclusiones en los diamantes profundos. Estos estudios han llevado a la conclusión de que el manto inferior está formado por tres minerales principales: bridgmanita, ferropericlasa y davemaoita.
Entre estos tres minerales principales, dos minerales, la bridgmanita y la davemaoita, tienen estructuras cristalinas de tipo perovskita. Esta estructura también es ampliamente conocida en física, química e ingeniería de materiales, ya que algunos materiales con la estructura de tipo perovskita han mostrado superconductividad.
A poca profundidad, los minerales con estructuras cristalinas similares suelen fusionarse y convertirse en minerales únicos, normalmente en un entorno de alta temperatura.
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 el manto inferior.
“¿Por qué la davemaoita y la bridgmanita no se fusionan en una sola a pesar de tener estructuras a escala atómica muy similares?” dijo Sang-Heon Dan Shim, coautor del artículo de Nature, en una declaración a los medios. “Se han hecho muchos intentos para encontrar las condiciones en las que estos dos minerales se fusionan, pero la respuesta de los experimentos ha sido sistemáticamente dos minerales separados. Por eso pensamos que necesitábamos nuevas ideas en los experimentos”.
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 rápidamente hasta alcanzar la alta temperatura relacionada con el manto inferior, llegando a 3000-3500 F en un segundo. El motivo era que, una vez que se forman dos minerales con estructura de perovskita, resulta muy difícil que se fusionen aunque entren en condiciones de temperatura en las que un solo mineral de perovskita debería ser estable.
Calentando las muestras rápidamente hasta las temperaturas objetivo, Shim y su coautor Byeongkwan Ko pudieron evitar la formación de dos minerales con estructura de perovskita a bajas temperaturas. Una vez que alcanzaron la temperatura del manto inferior, controlaron qué minerales se formaban durante 15-30 minutos utilizando haces de rayos X. Descubrieron que sólo se forma un único mineral de perovskita, algo inesperado respecto a los experimentos anteriores. También observaron que a temperaturas suficientemente altas, superiores a 3500 F, la davemaoita y la bridgmanita se convierten en un único mineral en la estructura de tipo perovskita.
“Se ha creído que una gran diferencia de tamaño entre el calcio y el magnesio, los cationes principales de la davemaoita y la bridgmanita, respectivamente, debería impedir que estos dos minerales se fusionaran”, dijo Ko. “Pero nuestro estudio demuestra que pueden superar dicha diferencia en ambientes calientes”.
Los experimentos sugieren que el manto inferior más profundo con una temperatura suficientemente alta debería tener una mineralogía diferente a la del manto inferior menos profundo. Dado 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 único mineral con estructura de perovskita, lo que significa que la mineralogía difería del manto inferior actual.
Esta nueva observación tiene una serie de repercusiones 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 ha informado de que los cambios son graduales. La fusión de la bridgmanita y la davemaoita ha demostrado ser gradual en los experimentos del grupo de investigación.
Además, las propiedades de una roca con tres minerales principales, bridgmanita, ferropericlasa y davemaoita, no coinciden con las propiedades del manto inferior más profundo. Ko y sus colaboradores predicen que estos problemas no resueltos pueden explicarse mediante la fusión de la bridgmanita y la davemaoita en un nuevo mineral con estructura de perovskita.
