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Dos anomalías masivas yacen en el manto terrestre a una profundidad de 2900 kilómetros. Se les conoce como las grandes provincias de baja velocidad o, en inglés, «large low-velocity provinces». Se trata de dos bultos rocosos más densos y más calientes que el magma del manto circundante.
Las provincias fueron descubiertas hace más de cuarenta años gracias a un tipo particular de ondas sísmicas. Su impresionante tamaño supera a todos los continentes, por lo que su descubrimiento transformó radicalmente nuestra comprensión sobre el interior de la Tierra, ya que anteriormente se creía que el manto terrestre era una capa homogénea de rocas, cuya densidad y temperatura únicamente variaban con la profundidad. El entusiasmo de los científicos fue tal que incluso asignaron apodos a las provincias. Mientras «Tuzo» se encuentra oculta profundamente bajo el continente africano, «Jason» yace bajo el Océano Pacífico.
Aunque no hay duda del gran impacto de las provincias en el desarrollo de nuestro planeta, los científicos no concuerdan sobre su origen. Las hipótesis predominantes sugieren que se formaron como resultado de procesos terrestres. Sin embargo, recientemente, un grupo de investigadores propuso una explicación completamente diferente. Según ellos, las provincias son restos de un planeta alienígena que chocó con la Tierra hace muchos millones de años. Suena increíble, sin embargo, los argumentos de los científicos son sumamente convincentes.
Reconstrucción del interior de la Tierra. El color rojo marca las grandes provincias de baja velocidad. Fuente: Yuan et al., 2023.
Importancia de las provincias
En la actualidad, las provincias han sido reconcidas como causas de varios fenómenos en nuestro planeta. El hecho de que estén ubicadas en puntos diametralmente opuestos con respecto al eje de rotación de la Tierra, sugiere que desempeñaron un papel crucial en su orientación. Por ejemplo, es probable que es debido a ellas que el polo geográfico sur se encuentra en la Antártida.
Las provincias también son una fuente de actividad volcánica en áreas donde normalmente no esperaríamos volcanes. La mayoría de ellos, como los que conforman el Anillo de Fuego del Pacífico, se encuentran en las intersecciones de placas tectónicas. Sin embargo, existen volcanes que se encuentran lejos de estas intersecciones. Los científicos han sabido durante mucho tiempo que en el manto debajo de ellos ocurre una intensa convección de magma. Este fenómeno es similar a la ebullición en una olla, donde las burbujas de agua caliente suben a la superficie, se enfrían y vuelven a sumergirse. En el caso del manto, la magma caliente se eleva hasta la superficie creando lo que se conoce como puntos calientes y, como resultado, volcanes. En 2008, los científicos descubrieron que los puntos calientes se encuentran directamente sobre los bordes de las grandes provincias. Todo indica que es gracias a ellas que existen tanto el archipiélago de Hawái como también la isla china de Hainan.
Origen
Desde su descubrimiento han prevalecido dos hipótesis sobre el origen de las provincias. Según la primera, estas se formaron gradualmente mediante la acumulación de placas tectónicas oceánicas subducidas. La subducción es un proceso en el que chocan las placas tectónicas oceánica y continental, y la corteza oceánica, que es más densa y delgada, se dobla y se hunde bajo la corteza continental, donde se funde y se vuelve parte del manto.
Según la segunda explicación, las provincias se formaron en un momento en que la Tierra aún estaba caliente y fundida, y en su interior ocurría el proceso de diferenciación, donde elementos y compuestos quimicos más densos se hundieron profundamente hacia el interior del planeta, mientras que los ligeros permanecieron más cercanos a la superficie.
Sin embargo, pronto surgieron problemas con ambas explicaciones. Existen pruebas sólidas de un origen antiguo de las rocas que componen las provincias. Los geólogos han llegado a ellas mediante el análisis de la composición química de los gases contenidos en sus rocas. Todo indica que estos son los llamados gases primordiales, que han existido en la Tierra desde su inicio, antes de la aparición de las placas tectónicas o del proceso de diferenciación.
El primer elemento químico que testifica la antigüedad de las provincias es el helio. En la naturaleza, encontramos dos isótopos estables de este gas. El helio-3 (3He) es más ligero, ya que su núcleo está formado por dos protones y solo un neutrón. Se formó principalmente poco después del Big Bang, en núcleos estelares calientes o durante explosiones de supernovas. El origen del otro isótopo estable en la Tierra, el helio-4 (4He), cuyo núcleo más pesado contiene dos protones y dos neutrones, es casi exclusivamente el resultado del decaimiento radiactivo de los isótopos de uranio-238 y 235 (238U, 235U) y torio-232 (232Th).
Las altas concentraciones de helio-4 en comparación con el helio-3 son características de las rocas ígneas en las dorsales mediooceánicas. Estas son unos sistemas montañosos submarinos que se forman debido a la expansión del fondo oceanico, un proceso causado por la separación de las placas tectónicas. La expansión permite que el magma del manto sube hacia el fondo oceánico, donde se derrama en forma de lava. Cuando esta se enfría y se endurece, se forma nueva corteza terrestre que tiempo después vuelve a ser sujeta a la subducción. Los procesos de expansión y subducción forman parte de la tectónica de placas y han estado ocurriendo en nuestro planeta durante 3.4 mil millones de años, causando la constante renovación de la corteza oceánica, por lo que su antigüedad no supera los 200 millones de años. Debido a la fusión repetida, estas rocas han perdido grandes cantidades de ambos isótopos en el pasado. Sin embargo, a diferencia del helio-3, la concentración de helio-4 se renueva parcialmente debido a la radioactividad.
Imagen del volcán Mauna Kea, Hawaii desde espacio. Fuente: NASA.
En la lava de los volcanes asociados con las grandes provincias, la concentración de helio-4 en comparación con el helio-3 es más baja que en las dorsales mediooceánicas. Esta diferencia se debe al hecho de que las rocas de las provincias no han estado expuestas a una fusión repetida, lo que ha mantenido relativamente constante la concentración de helio-3 en ellas a lo largo del tiempo. Lo mismo ocurre con otros gases nobles, como xenón, neón y argón.
La concentración de estos isótopos en las provincias es muy similar a las estimaciones de la composición en el disco protoplanetario que alguna vez rodeaba al Sol y del cual se formaron los planetas. Por lo tanto, los científicos estadounidenses buscaron la respuesta al origen de las provincias fuera de la Tierra. Se basaron en la hipótesis del gran impacto, que sostiene que solo cien millones de años después de la formación de la Tierra, un cuerpo planetario del tamaño de Marte, llamado Theia, chocó con ella. Durante el impacto, se fundió toda la capa superior del manto terrestre, así como todo el manto de Theia. Una parte del material de Theia quedó atrapado en el interior de la Tierra. Cuando esta sustancia se solidificó, se hundió hacia las profundidades, llegando hasta el núcleo externo de la Tierra.
La hipótesis del gran impacto sugiere que una parte de la sustancia del manto de Theia fue expulsada al espacio, donde los fragmentos fundidos eventualmente se fusionaron en un bulto masivo, formando así la Luna.
Hoy sabemos que más del 10 % de la masa del manto lunar está compuesto por óxido de hierro (FeO), mientras que esta cifra para el manto terrestre es solo del 8 %. Si la composición de la Luna refleja la composición de Theia, esto significa que la concentración de FeO en el manto de Theia y su densidad eran más altas en comparación con el manto terrestre. Esto puede explicar por qué la densidad medida de las grandes provincias es mayor que la del manto circundante.
Los científicos estadounidenses han demostrado con un modelo computacional que este escenario es factible. Los resultados de la simulación indican que, en caso de una colisión entre ambos cuerpos, la sustancia del manto de Theia se habría condensado en el interior de nuestro planeta de una manera muy similar a la observada. Según los cálculos, los restos de Theia en el manto terrestre representarían entre el 1.7 % y el 2.6 % de la masa de la Tierra, lo cual es comparable con las estimaciones de la masa de las provincias, que varían entre el 1 % y el 6 % de la masa de nuestro planeta.
Simulación numérica de la colisión del planeta Theia con la Tierra. Fuente: Kegerris et al., 2022.
Si resulta que las provincias son realmente de origen extraterrestre, no solo nos veremos obligados a descartar la explicaciones establecidas sobre su formación. En este caso, las provincias serían las primeras pruebas directas de la teoría del gran impacto y representarían un descubrimiento crucial en nuestra comprensión de la formación de la Tierra. En consecuencia, el planeta extraterrestre más cercano no se encontraría a más de cien millones de kilómetros de distancia, sino a tan solo unos miles de kilómetros bajo nuestros pies.
Independientemente de cuál de las hipótesis sobre el origen de las grandes provincias resulte ser correcta, ya es evidente su importancia no solo para entender el desarrollo de la Tierra, sino también para una comprensión más profunda de la formación de otros planetas en el Sistema Solar y más allá en el universo.
Lecturas complementarias para los más curiosos.
- Williams, C. D., Mukhopadhyay, S., Rudolph, M. L., & Romanowicz, B. (2019). Primitive helium is sourced from seismically slow regions in the lowermost mantle. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 20, 4130–4145. https://doi.org/10.1029/2019GC008437
- Mukhopadhyay, S. Early differentiation and volatile accretion recorded in deep-mantle neon and xenon. Nature 486, 101–104 (2012). https://doi.org/10.1038/nature11141
- Garnero, E., McNamara, A. & Shim, SH. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth’s mantle. Nature Geosci 9, 481–489 (2016). https://doi.org/10.1038/ngeo2733
- Yuan, Q., Li, M., Desch, S.J. et al. Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies. Nature 623, 95–99 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06589-1
- Diferenciación planetaria, Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/Diferenciaci%C3%B3n_planetaria
- Dorsal mediooceánica, Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/Dorsal_mediooce%C3%A1nica
- aria
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