Era un día de primavera en 2009, y John McNeill tenía un bolsillo lleno de diamantes.
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Su asesor de doctorado, el geoquímico Graham Pearson, había enviado a McNeill a un laboratorio en Viena con un recipiente de película que traqueteaba con diamantes "ultraprofundos". Estas no eran las gemas brillantes de una joyería, sino los diamantes ásperos y opacos que habían explotado hacia la superficie desde una región a cientos de millas de profundidad en el manto de la Tierra llamada zona de transición que los mineros en el distrito de Juína de Brasil los habían descubierto varios años antes. . Los joyeros habían pasado sobre las piedras nubladas, pero para los científicos, estos minerales preciosos eran ventanas a la Tierra profunda.
En un laboratorio oscuro, McNeill apuntó un rayo de luz sobre la superficie de piedra tras piedra, midiendo el espectro disperso por los diamantes y sus impurezas, con la esperanza de encontrar minerales en estas inclusiones que pudieran decirle cómo se formaron estos diamantes.
En cambio, lo que descubrió les dio a los científicos la primera evidencia concreta de que había agua en el interior de la Tierra. Si hubiera un gran reservorio de moléculas de agua integradas en minerales a cientos de kilómetros bajo tierra, podría explicar cómo nuestro planeta azul evolucionó en uno con tectónica de placas y agua, y eventualmente se hizo habitable. Comprender ese proceso no es solo histórico: cuanto más sepamos acerca de lo que hizo posible la vida en nuestro planeta, los científicos argumentan, más sabremos acerca de encontrar uno habitable fuera de nuestro sistema solar.
En ese momento, McNeill era investigador en la Universidad de Durham. Cuando él y Lutz Nasdala, el científico en cuyo laboratorio estaba trabajando, compararon el espectro creado por una impureza en uno de los diamantes contra una base de datos de minerales, encontraron algo sorprendente: una mancha microscópica de cristal verdoso atrapado dentro del diamante parecía podría ser ringwoodita, un mineral que solo se había sintetizado en laboratorios o encontrado en meteoritos. Nunca había aparecido en material de la Tierra.
Si lo fuera, sería un gran problema. Se sabía que la ringwoodita sintética podía incorporar moléculas de agua en su estructura. Entonces, esta muestra terrestre finalmente podría resolver un debate de décadas sobre la cantidad de agua atrapada en la zona de transición, una capa que se extiende de 250 a 400 millas debajo de la corteza, y cómo llegó allí.
A fines de la década de 1980, el geofísico Joseph Smyth, de la Universidad de Colorado, Boulder predijo que ciertos minerales en la zona de transición del manto podrían tener espacio en sus estructuras para las moléculas de agua. Pero debido a que nadie podía perforar tan lejos en la zona de transición para mirar directamente, la mayor parte de la evidencia fue teórica o el resultado de experimentos de laboratorio. Otros científicos no estuvieron de acuerdo, señalando que la forma en que las ondas sísmicas de un terremoto se movían debajo de la superficie, y la poca frecuencia de los terremotos profundos, predijeron una zona de transición seca.
El diamante de McNeill proporcionó una ventana del tamaño de un guisante en esta capa oculta en el centro de la Tierra, lo que permitió a los investigadores echar un vistazo a la composición de nuestro planeta.
Aproximadamente dos años después, McNeill se había graduado y Pearson se había mudado de la Universidad de Durham para continuar su investigación en la Universidad de Alberta en Canadá. En un día de invierno de 2011, en un laboratorio de sótano sin ventanas, el colega de Pearson Sergei Matveev suspendió minuciosamente el diamante que contiene ringwoodita dentro de un microscopio infrarrojo para analizar el contenido de la pequeña inclusión.
Matveev tardó unas horas en posicionar el diamante correctamente para poder realizar una medición. Pero una vez que lo tuvo en su lugar, solo tomó unos minutos obtener sus resultados: la ringwoodita contenía agua.
Matveev trató de mantener la calma, pero Pearson estaba emocionado. Prefiere no repetir lo que dijo en el momento en que se dio cuenta de que la teoría y los experimentos de laboratorio ahora podrían estar respaldados por una observación directa del agua desde las profundidades del manto de la Tierra.
"Posiblemente no sea imprimible", dice.
Un cristal azulado de ringwoodita dentro de una celda de diamante yunque. (Steve Jacobsen / Universidad del Noroeste) McNeill, Pearson y sus colegas publicaron su descubrimiento en la revista Nature en 2014, pero la pregunta seguía siendo: ¿qué tan representativo era este pequeño diamante de toda la zona de transición? Los dos científicos fueron cuidadosos al notar que su documento proporcionaba evidencia de agua solo en el pequeño bolsillo del manto donde se había formado este diamante.
Si esta pequeña muestra de ringwoodita fuera realmente representativa, entonces la zona de transición podría contener tanta agua como todos los océanos de la Tierra, posiblemente más. Y si lo hiciera, podría ayudar a explicar cómo se mueven las placas tectónicas, formando montañas y volcanes.
El geofísico Steve Jacobsen, de la Universidad Northwestern, advierte contra la visión de esta agua como los océanos subterráneos de Julio Verne llenos de monstruos marinos. En cambio, compara el agua en la zona de transición con la leche en un pastel. La leche líquida ingresa a la masa, pero una vez que la torta sale del horno, los componentes de la leche líquida se incorporan a la estructura de la torta, ya no está húmeda, pero todavía está allí.
Y Jacobsen pensó que tenía una manera de averiguar qué cantidad de esta agua se "horneaba" en la Tierra debajo de América del Norte.
Dentro de nuestro planeta, la roca increíblemente caliente y ligeramente viscosa se mueve hacia la superficie en algunos lugares, mientras que en otros rezuma hacia el núcleo en una corriente lenta llamada convección. A medida que los minerales como la ringwoodita transitan de profundidades más altas a más bajas en el manto, las altas temperaturas y presiones deforman la estructura del mineral. La ringwoodita teñida de azul, por ejemplo, comienza como un cristal verde llamado olivina cerca de la superficie, se transforma en ringwoodita en la zona de transición y se transforma en bridgmanita a medida que avanza hacia el manto inferior. Pero a diferencia de la ringwoodita, la bridgmanita no retiene el agua.
Jacobsen teorizó que si la ringwoodita en la zona de transición realmente contenía tanta agua como sugería el diamante de Pearson, entonces el agua se filtraría de la ringwoodita como magma cuando el mineral se exprimiera y calentara para convertirse en bridgmanita.
Entonces, Jacobsen fabricó madera de anillo que contenía agua en el laboratorio, la apretó entre dos diamantes en un vicio de bolsillo llamado prensa de yunque de diamante y la calentó con un láser de alta potencia. Cuando examinó los resultados, descubrió que las altas temperaturas y presiones habían exprimido el agua de la piedra, creando pequeñas gotas de magma.
Jacobsen pensó que si la ringwoodita realmente rezumaba magma rico en agua cuando se presionaba sobre el manto inferior, entonces estos parches de magma deberían desacelerar las ondas sísmicas de un terremoto, creando una especie de firma sísmica para el agua.
Entonces, Jacobsen se asoció con el sismólogo Brandon Schmandt de la Universidad de Nuevo México para buscar estas firmas en los datos recopilados por la red de sismómetros móviles de la National Science Foundation llamada Array de los Estados Unidos que se movía lentamente hacia el este a través de América del Norte. Los investigadores vieron el hipo sísmico que predijeron justo donde pensaban que lo harían, en el límite entre la zona de transición y el manto inferior de la Tierra.
Cuando intenta describir lo que estos resultados significaron para él, Jacobsen se queda sin palabras. "Ese fue realmente el punto en el que sentí que los últimos 20 años de mi investigación valieron la pena", dice finalmente. Él y Schmandt habían encontrado evidencia de que el agua estaba atrapada en la zona de transición del manto debajo de la mayor parte de los Estados Unidos, y publicaron sus hallazgos en la revista Science en 2014.
Pero todavía había un gran punto ciego: nadie sabía de dónde había venido esta agua.
Los trabajadores extraen diamantes en la región de Juina en Brasil. (Graham Pearson / Universidad de Alberta) En septiembre de 2014, Alexander Sobolev se propuso encontrar muestras "frescas" de rocas de lava raras de 2.700 millones de años llamadas komatiitas, con la esperanza de aprender cómo se formaron.
Sobolev, profesor de geoquímica de la Universidad de Grenoble Alpes en Francia, recorrió partes del cinturón de piedra verde Abitibi de Canadá con un martillo, golpeando komatiitas que parecían prometedoras y escuchando atentamente la pequeña percusión. Los mejores, dice, hacen un sonido limpio y hermoso.
Sobolev y sus colegas Nicholas Arndt, también de la Universidad de Grenoble Alpes, y Evgeny Asafov del Instituto de Geoquímica Vernadsky de Rusia recogieron pedazos de estas rocas del tamaño de un puño para llevarlos de regreso a Francia. Allí, los aplastaron y extrajeron los pequeños granos verdes de olivina que se encuentran dentro antes de enviar los fragmentos de olivina a Rusia para que se calienten a más de 2, 400 grados F y luego se enfrían rápidamente. Analizaron las inclusiones fundidas y enfriadas atrapadas dentro del olivino para comprender lo que les había sucedido a las columnas de magma mientras se disparaban a través del manto.
El equipo de Sobolev descubrió que si bien estas komatiitas no contenían tanta agua como la ringwoodita de Pearson, parecía que el magma que las había formado había recogido e incorporado una pequeña cantidad de agua a medida que viajaba por el manto, probablemente cuando pasaba por la transición zona. Esto significaría que la zona de transición del manto contenía agua hace 2.700 millones de años.
Este punto de tiempo es importante porque hay una serie de teorías diferentes, pero potencialmente complementarias, sobre cuándo y cómo la Tierra adquirió su agua, y cómo esta agua llegó a las profundidades del manto.
La primera teoría dice que el joven planeta Tierra estaba demasiado caliente para retener agua y que llegó más tarde, enganchándose a meteoritos o cometas empapados. Esta agua luego se deslizó dentro del manto cuando las placas tectónicas se movieron unas sobre otras en un proceso llamado subducción. La segunda teoría dice que el agua ha estado en nuestro planeta desde el principio, es decir, desde que una nube de gas y polvo se unió para formar nuestro sistema solar hace 4.600 millones de años. Esta agua primordial podría haber quedado atrapada dentro de la Tierra durante su acreción, y de alguna manera logró resistir el calor abrasador del joven planeta.
Entonces, si el agua estaba en la zona de transición de la Tierra hace 2.700 millones de años, dice Sobolev, significa que el movimiento de las placas tectónicas tuvo que haber comenzado mucho antes en la historia del planeta de lo que los científicos creen actualmente, o que el agua estuvo aquí desde el principio .
Lydia Hallis, por ejemplo, sospecha que el agua ha estado allí todo el tiempo. Hallis, una científica planetaria de la Universidad de Glasgow, comparó lo que ella llama los diferentes "sabores" del agua en las rocas antiguas del manto profundo y en el agua de mar regular hace varios años. Mientras que la subducción mezcla agua en los niveles superiores del manto, las porciones más profundas permanecen relativamente vírgenes.
El agua está compuesta por dos moléculas de hidrógeno y una molécula de oxígeno. A veces, cuando se incorpora a las rocas, en realidad se compone de un hidrógeno y un oxígeno, llamado grupo hidroxilo. Las diferentes formas, o isótopos, de hidrógeno tienen diferentes pesos moleculares, y el isótopo de hidrógeno más pesado se conoce como deuterio.
Los científicos piensan que en el lugar del naciente sistema solar donde se formó la Tierra, el agua contenía mucho más hidrógeno regular que el deuterio. Pero a medida que el agua ha persistido en la superficie de la Tierra, las moléculas de hidrógeno más livianas escaparon al espacio con mayor facilidad, concentrando el deuterio en nuestra atmósfera y océanos.
Hallis descubrió que el agua atrapada en las piedras del Ártico canadiense que se formaron por el magma que se originó en las profundidades del manto de la Tierra tenía una relación de deuterio a hidrógeno menor que el agua de mar. La proporción en esas piedras se parecía más a lo que los científicos piensan que era el agua primordial, lo que sugiere que el agua era un componente del manto de la Tierra desde el principio.
Esto no excluye la posibilidad de que rocas espaciales húmedas también golpeen la Tierra y compartan parte de su agua. Pero el debate continúa. "Así es como funciona la ciencia", dice Hallis. "Tienes razón, hasta que alguien demuestre que estás equivocado".
Se utiliza una célula de yunque de diamante para simular condiciones en el interior de la Tierra, exprimiendo muestras con enormes presiones. (Steve Jacobsen / Universidad del Noroeste) Pearson se preguntó si examinar las relaciones entre el deuterio y el hidrógeno en su inclusión de ringwoodita podría decirle más sobre si el agua en la zona de transición era primordial, si estaba allí como resultado de la subducción, o si era un poco de ambas.
Reclutó a Mederic Palot, un geoquímico actualmente en la Universidad Jean Monnet en Francia, para pulir el diamante hasta la inclusión de la ringwoodita para que pudieran analizar las moléculas de hidrógeno atrapadas en el interior. Fue un proceso arriesgado. Traer un diamante desde tales profundidades significaba que su interior estaba bajo mucha presión. Cortar y pulir el diamante podría dañarlo y su inclusión sin posibilidad de reparación.
Palot fue cuidadoso. Creó una especie de disipador de calor hecho de hielo seco para que el diamante no se sobrecalentara mientras raspaba pequeñas astillas de la superficie del mineral con un láser. Después de cada minuto de pulido, llevó el diamante al microscopio para asegurarse de que la preciosa inclusión de la madera de anillo seguía allí.
Después de 12 horas de pulido, Palot sabía que se estaba acercando a la inclusión. Comprobó el diamante bajo el microscopio a las 11 de la noche, casi allí. Pulió durante otro minuto y luego volvió a comprobar el diamante. La inclusión se había ido.
Palot lo buscó frenéticamente durante un día entero, buscando en el área alrededor del microscopio una mota de madera de anillo más pequeña que un grano de polvo.
Recuerda la terrible sensación de tener que llamar a Pearson para dar la noticia de que la única muestra de ringwoodita descubierta que se había formado en la Tierra había desaparecido.
Pero Pearson ya estaba pensando en el próximo proyecto. "Él dijo: 'Eso es juego, sabemos que apostamos en eso'", recuerda Palot. Y luego Pearson le dijo que tenían otra muestra que podría ser interesante. Recientemente había viajado a la misma región de Brasil de donde provenía el diamante que contiene ringwoodita, y trajo nuevas gemas, cada una con inclusiones prometedoras para estudiar. Ahora, Palot, Pearson, Jacobsen y otros están trabajando juntos para analizar un diamante aún más profundo dentro del manto.
Para Palot y cada uno de estos científicos, mirar los cristales que emergen de las profundidades de nuestro planeta es más que identificar los ingredientes que se hornearon en la Tierra hace miles de millones de años.
"Todo este punto es sobre la vida misma", dice Palot. “Sabemos que la vida está estrechamente relacionada con el agua. Si conocemos mejor el ciclo del agua, sabemos mejor cómo se originó la vida ".
Y si sabemos cómo se originó la vida en nuestro planeta, podría ayudarnos a encontrar vida, o condiciones que la mantengan, en otros.
Jacobsen agrega: “Ahora estamos descubriendo planetas potencialmente habitables fuera de nuestro sistema solar. Y cuanto más sepamos acerca de cómo se ve un planeta habitable, más podremos reconocerlos ”.
Su búsqueda de agua en las profundidades de la Tierra, dice Jacobsen, nunca ha sido más relevante.
Aprenda sobre esta investigación y más en el Deep Carbon Observatory.
