Rocas muy antiguas presentan una firma química que no existe en las de hoy en día
Científicos del MIT y de otros lugares han descubierto restos extremadamente raros de la "proto Tierra", que se formó hace unos 4.500 millones de años, antes de que una colosal colisión alterara irreversiblemente la composición del planeta primitivo y produjera la Tierra tal como la conocemos hoy. Sus hallazgos ayudarán a los científicos a reconstruir los ingredientes iniciales que forjaron la Tierra primitiva y el resto del sistema solar.
Hace miles de millones de años, el sistema solar primitivo era un disco giratorio de gas y polvo que eventualmente se agruparon y acumularon para formar los primeros meteoritos, que a su vez se fusionaron para formar la proto Tierra y sus planetas vecinos.
En esta fase inicial, la Tierra probablemente era rocosa y burbujeaba lava. Luego, menos de 100 millones de años después, un meteorito del tamaño de Marte impactó contra el planeta en su infancia en un singular "impacto gigante" que destruyó y fundió por completo su interior, restaurando así su composición química. Se pensaba que el material del que estaba hecha originalmente la proto Tierra había sido transformado por completo.
Pero los hallazgos del equipo del MIT sugieren lo contrario. Los investigadores han identificado una firma química en rocas antiguas que la distingue de la mayoría de los demás materiales presentes en la Tierra hoy en día.
La señal se presenta en forma de un sutil desequilibrio en los isótopos de potasio, descubierto en muestras de rocas muy antiguas y profundas. El equipo determinó que dicho desequilibrio no pudo haber sido producido por ningún gran impacto previo ni por ningún proceso geológico presente en la Tierra.
La explicación más probable para la composición química de las muestras es que deben ser materiales sobrantes de la proto Tierra que de alguna manera permanecieron inalterados, incluso cuando la mayor parte del planeta primitivo fue impactado y transformado.
"Esta es quizás la primera evidencia directa de que hemos preservado los materiales de la proto Tierra", dice Nicole Nie, Profesora Asistente de Desarrollo Profesional Paul M. Cook de Ciencias de la Tierra y Planetarias en el MIT. "Vemos un fragmento de la Tierra muy antigua, incluso antes del gran impacto. Esto es asombroso, ya que esperaríamos que esta señal tan temprana se borrara lentamente a través de la evolución de la Tierra".
Otros autores del estudio incluyen a Da Wang de la Universidad Tecnológica de Chengdu en China, Steven Shirey y Richard Carlson de la Institución Carnegie para la Ciencia en Washington, Bradley Peters de la ETH Zurich en Suiza y James Day de la Institución Scripps de Oceanografía en California.
Una curiosa anomalía
En 2023, Nie y sus colegas analizaron y estudiaron cuidadosamente muchos de los principales meteoritos recolectados en sitios de todo el mundo. Antes de impactar la Tierra, estos meteoritos probablemente se formaron en distintos momentos y lugares del sistema solar y, por lo tanto, representan las condiciones cambiantes del sistema solar a lo largo del tiempo. Al comparar la composición química de estas muestras de meteoritos con la de la Tierra, los investigadores identificaron entre ellas una anomalía isotópica de potasio.
Los isótopos son versiones ligeramente diferentes de un elemento que tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. El potasio puede existir en uno de tres isótopos naturales, con números másicos (protones más neutrones) de 39, 40 y 41, respectivamente. Dondequiera que se haya encontrado potasio en la Tierra, existe en una combinación característica de isótopos, donde el potasio-39 y el potasio-41 predominan abrumadoramente. El potasio-40 está presente, pero en un porcentaje ínfimo en comparación.
Nie y sus colegas descubrieron que los meteoritos que estudiaron mostraban equilibrios de isótopos de potasio diferentes a los de la mayoría de los materiales de la Tierra. Esta anomalía de potasio sugirió que cualquier material que presente una anomalía similar probablemente sea anterior a la actual composición de la Tierra. En otras palabras, cualquier desequilibrio de potasio sería una clara señal de material proveniente de la proto Tierra, antes de que el gran impacto restableciera la composición química del planeta.
"En ese trabajo, descubrimos que distintos meteoritos tienen distintas firmas isotópicas de potasio, y eso significa que el potasio puede utilizarse como trazador de los componentes básicos de la Tierra", explica Nie.
Imagen: Correlación entre ε40K y ε100Ru en meteoritos, la Tierra y la proto Tierra. Crédito: Nature Geoscience (2025). DOI: 10.1038/s41561-025-01811-3
'Construido de manera diferente'
En el estudio actual, el equipo buscó indicios de anomalías de potasio no en meteoritos, sino dentro de la Tierra. Sus muestras incluyen rocas en polvo de Groenlandia y Canadá, donde se encuentran algunas de las rocas conservadas más antiguas. También analizaron depósitos de lava recogidos en Hawái, donde los volcanes han extraído algunos de los materiales más antiguos y profundos del manto (la capa de roca más gruesa del planeta que separa la corteza del núcleo) de la Tierra.
"Si esta firma de potasio se conserva, querríamos buscarla en el tiempo profundo y en las profundidades de la Tierra", dice Nie.
El equipo primero disolvió las distintas muestras de polvo en ácido, luego aisló cuidadosamente el potasio del resto de la muestra y utilizó un espectrómetro de masas especial para medir la proporción de cada uno de los tres isótopos del potasio. Sorprendentemente, identificaron en las muestras una firma isotópica diferente a la que se ha encontrado en la mayoría de los materiales de la Tierra.
En concreto, identificaron un déficit en el isótopo potasio-40. En la mayoría de los materiales de la Tierra, este isótopo ya representa una fracción insignificante en comparación con los otros dos isótopos del potasio. Pero los investigadores pudieron discernir que sus muestras contenían un porcentaje aún menor de potasio-40. Detectar este minúsculo déficit es como ver un solo grano de arena marrón en un cubo en lugar de una palada llena de arena amarilla.
El equipo descubrió que, efectivamente, las muestras presentaban el déficit de potasio-40, lo que demuestra que los materiales "estaban construidos de manera diferente", dice Nie, en comparación con la mayoría de lo que vemos hoy en la Tierra.
Pero ¿Podrían las muestras ser restos raros de la proto Tierra? Para responder a esta pregunta, los investigadores asumieron que sí. Razonaron que si la proto Tierra originalmente estuvo hecha de materiales deficientes en potasio-40, entonces la mayor parte de este material habría sufrido cambios químicos (a partir del impacto gigante y los impactos de meteoritos posteriores, más pequeños) que finalmente dieron como resultado los materiales con más potasio-40 que vemos hoy.
El equipo utilizó datos de composición de todos los meteoritos conocidos y realizó simulaciones de cómo cambiaría el déficit de potasio-40 de las muestras tras los impactos de estos meteoritos y del gran impacto. También simularon procesos geológicos que la Tierra experimentó a lo largo del tiempo, como el calentamiento y la mezcla del manto. Al final, sus simulaciones produjeron una composición con una fracción ligeramente mayor de potasio-40 en comparación con las muestras de Canadá, Groenlandia y Hawái. Más importante aún, las composiciones simuladas coincidieron con las de la mayoría de los materiales modernos.
El trabajo sugiere que los materiales con un déficit de potasio-40 son probablemente material original sobrante de la proto Tierra.
Curiosamente, la firma de las muestras no coincide exactamente con la de ningún otro meteorito en las colecciones de los geólogos. Si bien los meteoritos del trabajo previo del equipo mostraron anomalías de potasio, no representan exactamente el déficit observado en las muestras de la proto Tierra. Esto significa que aún no se han descubierto los meteoritos y materiales que formaron originalmente la proto Tierra.
"Los científicos han intentado comprender la composición química original de la Tierra combinando la composición de diferentes grupos de meteoritos", afirma Nie. "Pero nuestro estudio demuestra que el inventario actual de meteoritos no está completo y que aún queda mucho por aprender sobre el origen de nuestro planeta".
Los hallazgos ha sido publicados hoy en la revista Nature Geosciences: Potassium-40 isotopic evidence for an extant pre-giant-impact component of Earth’s mantle
