Zircones, tectónica de placas y el misterio de la vida – Physics World

El suelo bajo nuestros pies puede parecer sólido y estacionario. Pero a lo largo de la historia de la Tierra, la capa relativamente delgada que cubre nuestro planeta ha sido presionada, agrietada y reesculpida repetidamente por fuerzas tectónicas. La tectónica de placas puede mover continentes, formar cadenas montañosas y provocar terremotos y volcanes cuando la energía reprimida se libera repentinamente.

Pero si bien la tectónica puede destruir la vida indiscriminadamente a nivel local, también es vital para mantener condiciones habitables en la superficie de la Tierra. Esto se debe a que los materiales ricos en carbono se reciclan de regreso al interior de la Tierra en las "zonas de subducción", regiones donde una placa se empuja debajo de otra, en un proceso que ayuda a regular el ciclo del carbono. Mientras tanto, el vapor de agua y los gases liberados por la actividad volcánica ayudan a estabilizar el clima y las condiciones atmosféricas de la Tierra.

Solo necesitamos mirar la atmósfera nociva de Venus, con sus densas nubes de dióxido de carbono y ácido sulfúrico, para ver qué puede suceder en un planeta rocoso sin placas tectónicas. Es por eso que muchos geocientíficos asumieron que la tectónica de placas debe haber existido en el momento en que surgió la vida, durante los primeros mil millones de años de la historia de la Tierra. La tectónica de placas, en esencia, se consideraba un requisito previo clave para la vida.

Pero nuevos hallazgos Los estudios realizados por un equipo de investigación internacional indican que la vida podría haber precedido a la tectónica de placas, y que la vida podría haber llegado primero por cierto margen. Si el trabajo es cierto, nuestro joven planeta puede haber experimentado un período prolongado sin placas móviles, bajo una forma más rudimentaria de tectónica conocida como "tapa estancada". Si se confirma, este escenario transformaría nuestra comprensión de cómo surge y sobrevive la vida y potencialmente ayudaría en la búsqueda de vida más allá de nuestro planeta.

En terreno inestable

La noción de tectónica de placas puede ser ampliamente aceptada hoy en día, pero fue controvertida durante muchos años. La historia comenzó en 1912 cuando el científico alemán Alfred Wegener propuso la idea de “deriva continental”. Sugirió que los continentes actuales alguna vez fueron parte de un supercontinente mucho más grande, pero luego derivaron a sus posiciones actuales en la superficie de la Tierra. en su libro El origen de los continentes y océanos, Wegener observó cómo las costas de América del Sur y África encajan como un rompecabezas y describió cómo aparecen fósiles similares en partes completamente diferentes del mundo.

La idea de Wegener fue recibida inicialmente con escepticismo, principalmente porque los investigadores no estaban seguros de qué podría haber hecho que las placas se movieran. Una respuesta comenzó a surgir a mediados del siglo XX cuando un mapa elaborado en 1953 por el geólogo y cartógrafo estadounidense. marie tharpe reveló la existencia de una dorsal oceánica que abarca todo el Océano Atlántico y corre paralela a las costas continentales. Con un enorme valle en su centro, Tharpe argumentó que esto indicaba que el fondo del océano se estaba expandiendo.

Una teoría completa sobre la expansión del fondo marino posteriormente se propuso por un geólogo estadounidense Harry Hess en 1962. Sugirió que la corteza oceánica se está formando continuamente en las dorsales oceánicas, donde el material fundido del interior de la Tierra sale a la superficie como parte de una celda de convección, antes de solidificarse en un nuevo fondo oceánico. Esta corteza fresca es luego desviada horizontalmente en ambas direcciones por el posterior afloramiento de magma.

Mientras tanto, donde las placas oceánicas bordean los continentes, secciones más antiguas de la corteza oceánica son empujadas debajo de la corteza continental menos densa en las fosas oceánicas y recicladas de regreso al interior de la Tierra. De hecho, la punta de la placa que se hunde también contribuye a la expansión del fondo marino al arrastrar el resto de la placa hacia atrás mientras cae en picado al abismo.

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La evidencia de la expansión del fondo marino llegó en 1963 cuando los geólogos británicos viña frederick y tambormond matthews examinó las mediciones del campo magnético de la Tierra tomadas por un barco de investigación que viajaba a través de una cresta en el Océano Índico. Notaron que el campo no era uniforme, pero había anomalías que corrían en rayas paralela a la dorsal, y virtualmente simétrica a cada lado de ella, que se extiende por el fondo del océano. Dijeron que las rayas surgen porque los minerales magnéticos dentro del lecho marino recién formado tienden a alinearse con el campo magnético de la Tierra mientras la roca se solidifica. Se forman nuevas franjas cada vez que el campo magnético de la Tierra cambia, un fenómeno que ha ocurrido muchas veces durante la historia de la Tierra cuando el polo norte se convierte repentinamente en el polo sur.

Para usar una analogía, el fondo marino en movimiento es más bien como una cinta de casete antigua, que registra cada inversión del campo geomagnético. Cada inversión puede fecharse mediante estudios de fósiles y pruebas radiométricas de basaltos perforados en el fondo del océano, para trazar la historia del campo magnético. Hoy en día, la existencia de la tectónica de placas es casi universalmente aceptada.

Pero hay mucho menos acuerdo sobre cuándo comenzó la tectónica de placas. Parte del problema es que la Tierra se formó hace aproximadamente 4.54 millones de años y hoy prácticamente toda la corteza oceánica de más de 200 millones de años se ha reciclado de nuevo en la Tierra. En otras palabras, nuestro archivo a largo plazo de la historia de la Tierra está contenido en formaciones rocosas ocultas en los continentes.

Pero incluso allí, las pocas rocas accesibles que quedan de los primeros mil millones de años han sido significativamente alteradas por el calor, la química, la erosión física y las presiones extremas. Por eso nadie está seguro de cuándo comenzó la tectónica de placas, con estimaciones que van desde más de Hace 4 mil millones de años a sólo 700 millones hace años que. Es una incertidumbre enorme e insatisfactoria.

Lo que es más curioso es que la evidencia fósil indiscutible más antigua de vida se remonta a entre 3.5 y 3.4 millones de años, con firmas de vida en rocas sedimentarias que indican que pudo haber existido. Más de 3.95 mil millones hace años que. Entonces, ¿podría haber surgido la vida cientos de millones de años antes de que existiera la tectónica de placas? Con tan pocas rocas originales de este período que sobreviven, los geólogos a menudo quedan atrapados en el ámbito de la especulación.

Circones: cápsulas del tiempo de los ardientes comienzos de la Tierra

Afortunadamente, los geocientíficos tienen un arma secreta para obtener instantáneas de las condiciones de la Tierra primitiva. Decir hola a circones – fragmentos minerales químicamente estables (ZrSiO₄) que se encuentran en una variedad de colores y entornos geológicos. La belleza de los circones para los geocientíficos es que en gran medida no se ven afectados por los cambios en su roca huésped. Son como una cápsula del tiempo de ese período lejano.

En particular, los científicos han estado estudiando recientemente circonitas antiguas que cristalizó dentro de rocas de granito formadas durante los primeros 600 millones de años de la Tierra. Durante este período, conocido como el eón hadeano, nuestro planeta era un lugar infernal, probablemente envuelto en una atmósfera rica en dióxido de carbono y frecuentemente bombardeado por cuerpos extraterrestres. Probablemente uno de ellos creó la Luna.

Sin embargo, a pesar de la falta de corteza, parece que se estaban formando rocas sólidas porque hoy en día sobrevive un número limitado. En el planeta existen rocas intactas de hasta 4 millones de años de antigüedad. Complejo Acasta Gneis del noroeste de Canadá, y los materiales más antiguos conocidos de origen terrestre tienen 4.4 millones de años Cristales de circón encontrados en Jack Hills en Australia. (Geoscience naturaleza 10 457). Están alojados en rocas “metasedimentarias” mucho más nuevas.

En esta nueva investigación (Naturaleza 618 531), los investigadores estudiaron los circones de Jack Hills que abarcan el período de hace 3.9 a 3.3 mil millones de años, así como los circones del mismo período encontrados en el cinturón de piedras verdes de Barberton en Sudáfrica. Dirigido por John Tarduño Los investigadores de la Universidad de Rochester (EE.UU.) inicialmente estaban interesados ​​en lo que los circones podrían revelar sobre el estado del campo magnético de la Tierra durante ese período. Sólo más tarde se dieron cuenta de que sus hallazgos tenían implicaciones mucho más amplias.

Se descubrió que los cristales de circón de los sitios australiano y sudafricano contenían inclusiones de un mineral rico en hierro llamado magnetita, que fueron magnetizados por el campo de la Tierra en el momento en que se formaron. Aunque han pasado miles de millones de años desde entonces, esta información sobre el antiguo campo magnético de la Tierra ha permanecido encerrada en los cristales de circón todo este tiempo. De hecho, debido a que el campo magnético de la Tierra es un dipolo (con una intensidad de campo que varía con la latitud), medir la fuerza de la magnetización remanente entre el contenido de magnetita del circón puede revelar la latitud en la que se formó.

El siguiente desafío fue datar las muestras de circón. Convenientemente, la estructura cristalina del circón también incorpora uranio, que se desintegra gradualmente en plomo a un ritmo conocido. De este modo, los investigadores pudieron calcular la edad del cristal de circón a partir de la proporción entre uranio y plomo, que el equipo de Tarduno midió mediante un microsonda selectiva de iones de alta resolución, o CAMARONES.

Si la tectónica de placas hubiera existido durante los 600 millones de años cubiertos en este estudio, entonces se esperaría que los cristales de circón se hubieran formado en diversas latitudes a medida que las placas se movían. Eso, a su vez, significaría que los cristales de circón tendrían una gama de intensidades de magnetización dependiendo de su edad. Sin embargo, para su sorpresa, Tarduno y su equipo descubrieron algo muy diferente.

Tanto en los sitios de Australia como en Sudáfrica, la fuerza de la magnetización se mantuvo casi constante hace entre 3.9 y 3.4 millones de años. Esto sugiere que ambos conjuntos de circones se formaron en latitudes constantes. En otras palabras, la tectónica de placas aún no había comenzado. Parte de la razón de esta conclusión, explican los investigadores, es que, en promedio, las placas durante los últimos 600 millones de años se han movido al menos 8500 km de latitud. Y durante este período reciente, nunca ha habido un ejemplo de dos placas que permanecieran en latitud constante simultáneamente”.

En otras palabras, la tectónica de placas aún no había comenzado. Los investigadores concluyen que la Tierra probablemente tenía una variedad más rudimentaria de tectónica, que aún incluía algo de reciclaje químico y fractura de roca sólida en la superficie de la Tierra.

La diferencia crucial entre la tectónica de placas actual y esta “tapa estancada” forma de tectónica es que este último no incluye placas que se mueven horizontalmente a través de la superficie, lo que permite que el calor se libere de manera eficiente. En cambio, la Tierra habría sido un mundo enconado sin corteza continental, poblado por regiones aisladas de gruesa corteza oceánica separadas por áreas de magma ascendente (figura 1). “Tal vez la tapa estancada es un nombre desafortunado ya que la gente podría pensar que no pasa nada”, dice Tarduno. "Pero lo que sí tienes son penachos de material que pueden calentar el fondo de esta corteza primordial y la litosfera".

Hacia el final del período de estudio (hace 3.4-3.3 millones de años), la magnetización observada en los cristales de circón comienza a fortalecerse, lo que, según Tarduno, podría indicar el inicio de la tectónica de placas. La razón es que enormes placas de corteza que descienden al interior de la Tierra en las zonas de subducción provocan que el manto se enfríe más rápidamente. A su vez, este proceso puede fortalecer la eficiencia de la convección en el núcleo externo, lo que resulta en un campo geomagnético más fuerte.

¿Una 'situación de Ricitos de Oro' para los primeros años de vida?

Si la vida básica ya estaba presente casi XNUMX millones de años antes de la tectónica, como implica este estudio, plantea preguntas interesantes sobre cómo podría sobrevivir la vida en un mundo sin placas tectónicas. Un campo magnético más débil procedente de esta fase de tapa estancada habría dejado la superficie de la Tierra más expuesta a la radiación cósmica, de la que nos protege nuestro fuerte campo actual. Los protones energéticos del viento solar habrían chocado entonces con partículas atmosféricas, cargándolas y energizándolas para que pudieran escapar al espacio, en principio, despojando a un planeta entero de su agua.

Pero Tarduno dice que incluso la fuerza del campo magnético relativamente débil observada en este nuevo estudio habría proporcionado cierto blindaje. De hecho, sugiere que esta forma estancada y latente de tectónica puede haber creado una “situación de Ricitos de Oro” que habría sido perfecta para la vida primordial, libre de los cambios dramáticos en las condiciones ambientales que pueden ocurrir en una tectónica de placas en toda regla.

Es una idea tentadora porque se cree que las formas tectónicas de tapa estancada son comunes en todo nuestro sistema solar, existiendo en Venus, Mercurio y en una forma menos dinámica en Marte.

Para desarrollar la investigación, el equipo de Tarduno ahora planea estudiar circones de edades similares de otros lugares, para brindar una gama más amplia de puntos de datos. "Nuestro enfoque es diferente del trabajo anterior porque tenemos un indicador de movimiento", dice. "Todos los argumentos sobre la tectónica de placas de esta época de la historia de la Tierra se han basado en la geoquímica, no en el indicador principal de qué es la tectónica de placas".

Peter Cawood, un científico terrestre de la Universidad de Monash en Australia, que no participó en este estudio. Naturaleza El estudio dice que una mayor comprensión de la Tierra primitiva puede provenir de lugares de nuestro sistema solar cuyas superficies no han sido recicladas repetidamente por la tectónica de placas. "Marte, la Luna y los meteoritos proporcionan un registro más extenso de su historia temprana", afirma. "Las muestras de estos cuerpos, y en particular el potencial de misiones de retorno de muestras desde Marte, pueden proporcionar nuevos conocimientos importantes sobre los procesos que actuaron en la Tierra primitiva".

¿Epoca o acontecimiento? Definición del Antropoceno

Se pueden dar pasos gigantescos en ese frente a través de la Misión de retorno de muestras de Marte, cuyo lanzamiento está previsto para 2027. Pero Cawood considera que quizás una cuestión más crítica para el desarrollo de la vida inicial es cuándo exactamente apareció por primera vez en la Tierra el agua, un requisito previo para la vida. "Trabajos anteriores con los circones de Jack Hills, utilizando isótopos de oxígeno, sugieren que ha habido agua desde hace al menos 4400 millones de años", afirma.

Para Cawood, esta investigación podría ayudar potencialmente en la búsqueda de vida dentro de nuestro sistema solar y más allá, e incluso en nuestro concepto de cómo es la vida. “Si la vida en la Tierra se desarrolló durante esta fase de estancamiento, entonces quizás esto también ocurrió en Marte. Si la Tierra hubiera permanecido en una fase de tapa estancada y la vida hubiera seguido evolucionando, ciertamente se vería diferente de la biosfera que tenemos hoy. Entonces, parafraseando a Spock hablando con Kirk: 'es la vida, Jim, pero no como la conocemos'”.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/