Capas visualmente llamativas de naranja quemado, amarillo, plata, marrón y negro teñido de azul son características de las formaciones de bandas de hierro, rocas sedimentarias que pueden haber provocado algunas de las erupciones volcánicas más grandes en la historia de la Tierra, según una nueva investigación de la Universidad de Rice.

Las rocas contienen óxidos de hierro que se hundieron en el fondo de los océanos hace mucho tiempo, formando capas densas que finalmente se convirtieron en piedra. El estudio publicado esta semana en Nature Geoscience sugiere que las capas ricas en hierro podrían conectar cambios antiguos en la superficie de la Tierra, como el surgimiento de la vida fotosintética, con procesos planetarios como el vulcanismo y la tectónica de placas.

Además de vincular los procesos planetarios que generalmente se pensaba que estaban desconectados, el estudio podría replantear la comprensión de los científicos sobre la historia temprana de la Tierra y proporcionar información sobre los procesos que podrían producir exoplanetas habitables lejos de nuestro sistema solar.

« Estas rocas cuentan, literalmente, la historia de un entorno planetario cambiante », dijo Duncan Keller, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias Planetarias, Ambientales y de la Tierra de Rice. « Encarnan un cambio en la química atmosférica y oceánica ».

Las formaciones de hierro en bandas son sedimentos químicos precipitados directamente del agua de mar antigua rica en hierro disuelto. Se cree que las acciones metabólicas de los microorganismos, incluida la fotosíntesis, facilitaron la precipitación de los minerales, que se formaron capa tras capa con el tiempo junto con el sílex (dióxido de silicio microcristalino). Los depósitos más grandes se formaron cuando el oxígeno se acumuló en la atmósfera de la Tierra hace unos 2.500 millones de años.

« Estas rocas se formaron en los océanos antiguos, y sabemos que esos océanos luego se cerraron lateralmente por procesos de placas tectónicas », explicó Keller.

El manto, aunque sólido, fluye como un fluido a la misma velocidad que crecen las uñas. Las placas tectónicas, secciones de la corteza y el manto superior del tamaño de un continente, están en constante movimiento, en gran parte como resultado de las corrientes de convección térmica en el manto. Los procesos tectónicos de la Tierra controlan los ciclos de vida de los océanos.

« Al igual que el Océano Pacífico se está cerrando hoy, se está hundiendo bajo Japón y América del Sur, las antiguas cuencas oceánicas fueron destruidas tectónicamente », dijo. « Estas rocas tuvieron que ser empujadas hacia los continentes y preservadas, y vemos algunas preservadas, de ahí provienen las que estamos viendo hoy, o subducidas al manto ».

Debido a su alto contenido de hierro, las formaciones de hierro en bandas son más densas que el manto, lo que hizo que Keller se preguntara si los fragmentos subducidos de las formaciones se hundieron hasta el fondo y se asentaron en la región más baja del manto, cerca de la parte superior del núcleo de la Tierra. Allí, bajo una temperatura y una presión inmensas, habrían sufrido cambios profundos a medida que sus minerales adquirieron estructuras diferentes.

« Hay un trabajo muy interesante sobre las propiedades de los óxidos de hierro en esas condiciones », dijo Keller. « Pueden volverse altamente conductivos térmica y eléctricamente. Algunos de ellos transfieren calor tan fácilmente como lo hacen los metales. Por lo tanto, es posible que, una vez en el manto inferior, estas rocas se conviertan en bultos extremadamente conductores como placas calientes ».

« Observamos las edades de depósito de las formaciones de hierro en bandas y las edades de los grandes eventos de erupción basáltica llamados grandes provincias ígneas, y encontramos que existe una correlación », dijo Keller. « Muchos de los eventos ígneos, que fueron tan masivos que los 10 o 15 más grandes pueden haber sido suficientes para resurgir en la superficie de todo el planeta, fueron precedidos por la deposición de formaciones de hierro en bandas a intervalos de aproximadamente 241 millones de años, más o menos 15 millones. Es una fuerte correlación con un mecanismo que tiene sentido ».

El estudio mostró que había un período de tiempo plausible para que las formaciones de bandas de hierro fueran primero atraídas profundamente hacia el manto inferior y luego influyeran en el flujo de calor para impulsar una columna hacia la superficie de la Tierra a miles de kilómetros de altura.

En su esfuerzo por rastrear el viaje de las formaciones de bandas de hierro, Keller cruzó los límites disciplinarios y se topó con ideas inesperadas.

« Si lo que está sucediendo en los océanos primitivos, después de que los microorganismos cambiaran químicamente los ambientes de la superficie, en última instancia crea una enorme efusión de lava en algún otro lugar de la Tierra 250 millones de años después, eso significa que estos procesos están relacionados y ‘hablando’ entre sí », dijo Keller. « También significa que es posible que los procesos relacionados tengan escalas de longitud mucho mayores de lo que la gente esperaba. Para poder inferir esto, tuvimos que basarnos en datos de muchos campos diferentes en mineralogía, geoquímica, geofísica y sedimentología ».

Keller espera que el estudio estimule más investigaciones. « Espero que esto motive a la gente en los diferentes campos que toca », dijo. « Creo que sería realmente genial si esto hiciera que las personas hablaran entre sí de formas renovadas sobre cómo están conectadas las diferentes partes del sistema de la Tierra ».

Keller es parte del programa CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets, un grupo interdisciplinario y multiinstitucional de científicos dirigido por Rajdeep Dasgupta, Profesor W. Maurice Ewing de Ciencias de Sistemas Terrestres de Rice en el Departamento de Tierra, Ciencias Ambientales y Planetarias.

« Esta es una colaboración extremadamente interdisciplinaria que analiza cómo los elementos volátiles que son importantes para la biología (carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre) se comportan en los planetas, cómo los planetas adquieren estos elementos y el papel que juegan en potencialmente haciendo que los planetas sean habitables », dijo Keller.

« Estamos usando la Tierra como el mejor ejemplo que tenemos, pero estamos tratando de averiguar qué podría significar la presencia o ausencia de uno o algunos de estos elementos para los planetas en general », agregó.

Cin-Ty Lee, el profesor Harry Carothers Wiess de Geología, Tierra, Ciencias Ambientales y Planetarias de Rice, y Dasgupta son coautores del estudio. Otros coautores son Santiago Tassara, profesor asistente en la Universidad Bernardo O’Higgins en Chile, y Leslie Robbins, profesora asistente en la Universidad de Regina en Canadá, quienes realizaron un trabajo posdoctoral en la Universidad de Yale, y Profesor de Yale de Earth and Ciencias Planetarias Jay Ague, asesor de doctorado de Keller.

La NASA (80NSSC18K0828) y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá (RGPIN-2021-02523) apoyaron la investigación.