El europio, una sutil firma química presenta en rocas de todo el mundo, puede dar respuesta a un viejo misterio sobre el ‘hierro perdido’ en la corteza de los continentes.
El hallazgo, que invoclucra al granate en este fenómeno, tiene implicaciones importantes. Si el contenido de hierro de las rocas continentales fuera un poco mayor, como en las rocas debajo de los océanos de la Tierra, por ejemplo, la atmósfera se parecería más a la de Marte, un planeta tan plagado de rocas herrumbrosas y oxidadas que parece rojo incluso desde la Tierra.
En un nuevo artículo que se publica en la edición digital de ‘Science Advances’, los petrólogos de Rice Cin-Ty Lee, Ming Tang, Monica Erdman y Graham Eldridge argumentan que el granate roba la mayor cantidad de hierro de los continentes. La hipótesis va en contra de más de 40 años de pensamiento geofísico, y Tang, investigador postdoctoral, y Lee, profesor y presidente del Departamento de Ciencias Ambientales, Terrestres y Planetarias en Rice, dicen que esperan una saludable dosis de escepticismo de sus colegas.
«La visión estándar, con la que incluso estuvimos de acuerdo y escribimos los documentos con los que estamos de acuerdo, es que el hierro se elimina de la corteza continental por otro mineral llamado magnetita –explica Lee–. Creo que la gente no ha pensado mucho sobre el granate, posiblemente porque no aparece mucho y la magnetita aparece en muchas muestras».
No es fácil argumentar a favor o en contra de ninguno de los minerales, ya que el hierro desaparece muchas millas por debajo de los volcanes activos. El mejor ejemplo hoy es el arco de volcanes que se extiende por las montañas de los Andes en América del Sur. Se cree que arcos continentales similares han formado gran parte de las principales masas terrestres de la Tierra, pero los científicos no tienen instrumentos capaces de observar directamente lo que sucede debajo de los arcos volcánicos continentales.
En cambio, el misterio de hierro faltante debe resolverse con un razonamiento deductivo sobre el funcionamiento interno de la Tierra y rocas raras que contienen pistas de ello.
«La sabiduría aceptada es que la magnetita extrae el hierro de la masa fundida antes de que la masa fundida se eleve y estalle en los arcos continentales –dice Tang–. La depleción de hierro es más pronunciada en los arcos continentales, donde la corteza es gruesa, y mucho menos en los arcos isleños, donde la corteza es delgada. Sin embargo, no hay una explicación obvia de por qué el grado de afectación de la magnetita se correlaciona con el espesor de la corteza».
Pero el granate se correlaciona. El almandino, un tipo de granate cargado de hierro, se fabrica más fácilmente a alta presión y alta temperatura, el tipo de condiciones que existen en la zona de subducción debajo de los Andes, donde la corteza continental puede tener hasta 50 millas de espesor, dice Lee. Es posible que Tang nunca haya sospechado del granate si no fuera por un viaje de campo de Lee y estudiantes al centro de Arizona en 2009 para buscar xenolitos.
EUROPIO, UN AGENTE REVELADOR
Según explica Lee, los xenolitos son mucho más viejos que los volcanes de donde proceden. Estos volcanes arrancaron las rocas de 60 a 80 kilómetros de profundidad, y los xenolitos salieron como pequeños fragmentos. «Es difícil encontrar rocas como esta, pero cuando lo haces, te dan una ventana, una ventana directa, a las partes profundas del arco continental, la raíz», dice.
Erdman, que entonces era estudiante de doctorado en el laboratorio de Lee, realizó un análisis inicial de los xenolitos y estableció que se formaron en un entorno de arco continental y que eran ricos en granate. Dos años más tarde, Graham Eldridge, estudiante universitario de Rice, pasó un verano caracterizando elementos de tierras raras en los xenolitos y encontró indicios de que contenían proporciones inusuales de europio.
El europio típicamente forma minerales que permiten que cada uno de sus átomos comparta tres electrones con átomos cercanos, un «estado de oxidación» que los químicos notan como Eu + 3. El europio también forma minerales en los que comparte dos electrones, y la notación para este estado menos oxidado es Eu + 2. En un entorno con abundante oxígeno, europio se encuentra en su estado de oxidación más alto (Eu + 3), pero a niveles más intermedios de oxígeno en el manto puede ocurrir tanto en estados Eu + 2 como Eu + 3.
Los estados de oxidación del europio que Eldridge encontró en los xenolitos de Arizona sugirieron que se formaron en condiciones menos oxidadas de lo que se esperaría en el escenario de magnetita, pero no hubo datos suficientes para confirmar esta corazonada.
«Los arcos continentales suceden en zonas de subducción, donde una placa tectónica oceánica se desliza debajo de una placa continental –apunta Lee–. Cuando se recicla la placa oceánica en el manto, se cree que introduce mucho oxígeno en el manto. El escenario de la magnetita para el agotamiento del hierro depende en gran medida de la idea de que estas zonas de subducción están altamente oxidadas en la profundidad».
Tang se unió al equipo de Lee en 2016. Tenía una amplia experiencia en la caracterización de europio como parte de sus estudios de doctorado en la Universidad de Maryland, y comenzó a realizar cientos de minuciosas mediciones para caracterizar con mayor precisión las proporciones de europio en los xenolitos de Arizona.
La calidad de los datos de Tang le permitió desarrollar una nueva hipótesis que unía todo: el granate, las proporciones de europio y el hecho de que las cortezas continentales más gruesas están más desprovistas de hierro que las cortezas de arco de la isla más delgadas.
«A medida que la columna se vuelve más gruesa y gruesa, como en los arcos continentales, la temperatura y la presión son lo suficientemente grandes como para producir estos granates ricos en hierro, que son pesados y se hunden –dice Tang–. El hierro que extraen es hierro ferroso (Fe + 2) y no está altamente oxidado. Vuelve al manto y el hierro que permanece fundido y entra en erupción para convertirse en parte de la corteza continental se oxida aún más en el camino a la superficie».
Para probar la hipótesis a escala global, Tang pasó varios meses en el Instituto Max Planck, en Alemania. «Hay una relación entre el agotamiento del hierro y las firmas de fraccionamiento de granate, lo que significa que los magmas que fraccionan más granate están más agotados en hierro –dice Tang–. Esto nace en el récord mundial, pero la evidencia es algo que no sería obvio al analizar solo uno o dos casos. Es el tipo de cosa que requiere una base de datos global, y esas solo han estado disponibles recientemente», afirma.
Lee apunta que el hallazgo tiene implicaciones importantes para la capacidad de la Tierra para mantener una atmósfera rica en oxígeno. «La fotosíntesis produce oxígeno, pero lo principal que lleva al oxígeno fuera de la circulación durante mucho tiempo es la oxidación con la corteza –señala Lee–. Si lo que sale de los volcanes para formar los continentes ya está oxidado, entonces no reaccionará de inmediato con el oxígeno de la atmósfera ni lo agotará».
Tras presentar sus resultados, Tang y Lee descubrieron que el famoso petrólogo australiano Ted Ringwood y sus colegas habían implicado el granate en lugar de la magnetita en unos pocos artículos publicados hace 50 años. «Muchas de las personas en nuestro campo tienen un linaje científico que se remonta a Ringwood –dice Lee–. Estoy seguro de que muchos de ellos pueden echar un vistazo y pensar que esta es una idea loca, pero teniendo en cuenta que su tatarabuelo, académicamente hablando, había especulado sobre esto, tal vez estamos en buena compañía».
