Es un gran ejemplo de lo interconectados que están los sistemas de la Tierra
Aportando un novedoso enfoque a un problema clásico, unos investigadores han revelado cómo los cambios en la química de los océanos durante los últimos 2.000 millones de años han dejado una huella en las rocas volcánicas formadas en los arcos insulares.
Los arcos insulares, que surgen de la actividad volcánica a lo largo de las zonas de subducción donde una placa tectónicaplaca tectónica se sumerge debajo de otra, juegan un papel crucial en la formación de la corteza continental.
El estudio arroja luz sobre cómo estos arcos han interactuado con la química del océano a través de conexiones en el tiempo que recién ahora se están descubriendo.
El estudio, resultado de una colaboración entre el laboratorio de geología de la profesora Claire Bucholz en el Instituto Tecnológico de California y la Universidad de California Berkeley, ha demostrado que las composiciones isotópicas de estroncio de los magmas de arco insular han variado junto con la composición de estroncio del agua de mar a lo largo del tiempo geológico.
En concreto, el estudio propone un modelo para esta covariación que implica la transferencia de estroncio del agua de mar a los arcos insulares a través de la alteración hidrotermal del fondo del océano, que en última instancia se subduce hacia las regiones de origen del manto de los magmas del arco insular y luego se incorpora a los basaltos del arco insular resultantes.
Bucholz estudia cómo interactúan los diferentes reservorios de la Tierra, desde la superficie hasta el manto, y cómo han cambiado con el tiempo estas interacciones. Las zonas de subducción son un excelente lugar para plantear estas preguntas porque representan una interfaz entre importantes reservorios: el océano, la corteza y el manto, y porque los procesos de subducción han estado operando en la Tierra durante miles de millones de años.
La placa de subducción está compuesta de corteza oceánica, que está impresa con la química del agua de mar a través de la alteración hidrotermal. Cuando la placa subductora desciende hacia el manto, se calienta y libera fluidos ricos en agua y materiales fundidos que transportan esta firma química derivada del agua de mar al manto suprayacente. A su vez, esta afluencia de fluidos hace que el manto se derrita, produciendo magmas que finalmente ascienden y entran en erupción en la superficie de la Tierra.
Este proceso crea volcanes de arco insular como los que se encuentran en las islas Aleutianas o en otras partes del Cinturón de Fuego del Pacífico. Las rocas magmáticas encontradas en estos arcos de islas llevan la huella original del agua de mar en su composición química y, por lo tanto, al estudiarlas, los investigadores pueden aprender sobre su conexión con el océano.
Imagen: Esta ilustración muestra cómo una placa oceánica se subduce debajo de otra, lo que genera condiciones que dan lugar a la afloración de magma que forma islas. Crédito: Caltech
Cuando se trata de la Tierra moderna, los geoquímicos generalmente aceptan que existe una conexión entre el agua de mar y los basaltos del arco insular. Por ejemplo, una característica bien conocida de los basaltos de arco insular modernos es su enriquecimiento en estroncio radiogénico en relación con los basaltos formados en las dorsales oceánicas, que se están separando en lugar de subducirse.
La explicación típica de este enriquecimiento es que el estroncio radiogénico "extra" es suministrado por la corteza oceánica en subducción, que incorporó estroncio radiogénico de agua de mar antes de subducirse.
El uso de isótopos radiogénicos (aquellos producidos a través de la desintegración radiactiva) para estudiar los magmas de arco tiene una rica historia que fue iniciada por el coautor Donald DePaolo, quien recibió su doctorado en Caltech en 1978 y ahora es miembro del cuerpo docente de la UC Berkeley.
Durante su tiempo en Caltech, DePaolo desarrolló la metodología para realizar las primeras mediciones de isótopos de neodimio en rocas terrestres y exploró sus variaciones en magmas de arco insular junto con las de los isótopos de estroncio.
Este trabajo fue fundamental para el desarrollo de estudios isotópicos radiogénicos de rocas y ha sido una piedra angular de los estudios geoquímicos desde entonces. El nuevo estudio, dirigido por la actual estudiante de posgrado de Caltech Amanda Bednarick, se basa en esta base y conecta a investigadores que han trabajado en Caltech durante cuatro décadas, incluido el coautor Daniel Stolper.
El nuevo trabajo requirió una meticulosa revisión de datos de la literatura anterior sobre isótopos de estroncio en rocas de arcos insulares. Aunque estos datos existen desde hace décadas, nadie se había tomado la tarea de recopilarlos y analizarlos porque las proporciones originales de estroncio en rocas magmáticas se alteran fácilmente y a menudo se ocultan. Sin embargo, con una cuidadosa evaluación de los conjuntos de datos existentes para seleccionar sólo las mediciones más confiables, Bednarick pudo documentar una señal clara.
Imagen derecha: Las islas Ryukyu forman un arco de islas.
"La revisión y recopilación de la literatura que llevó a cabo Amanda requirió mucho tiempo y trabajo", afirma Bucholz. "Sin embargo, es solo a través de estos esfuerzos que surgen conjuntos de datos de la más alta calidad y podemos decir algo importante sobre el pasado geológico".
"Entendemos las conexiones entre el estroncio del agua de mar y las rocas volcánicas del arco insular sólo de manera general, pero las correlaciones encontradas al evaluar cuidadosamente los datos son innegables", agrega DePaolo.
Bednarick demostró que las proporciones isotópicas del estroncio en los basaltos de las islas se correlacionan bien con las del agua de mar a lo largo del pasado geológico, que han variado debido a los cambios en la cantidad de estroncio introducido en los océanos desde los continentes (radiogénico) frente al manto (no radiogénico). Lo más sorprendente es que un aumento significativo en las proporciones de isótopos de estroncio en los arcos de islas coincide con un cambio conocido en la química del océano durante la era Neoproterozoica tardía, hace unos 600 millones de años.
Imagen derecha: Dos placas chocan y en el proceso crean un arco insular entre ellas.
Para comprender esta relación, Bednarick y coautores desarrollaron un modelo que incorpora el registro conocido de la química del agua de mar y el aporte de estroncio a los magmas del arco insular. Estos modelos indican que las proporciones de isótopos de estroncio en los basaltos de arcos insulares pueden explicarse únicamente por cambios en la química del agua de mar, lo que a su vez refleja cambios geológicos y climáticos más amplios.
"Este estudio pone de relieve cómo los cambios en la superficie de la Tierra, en particular en la química de los océanos, se registran en las profundidades de la Tierra a través de las rocas volcánicas formadas en las zonas de subducciónzonas de subducción. Es un gran ejemplo de lo interconectados que están los sistemas de la Tierra, incluso a lo largo de miles de millones de años", explica Bednarick.
Comprender los antiguos procesos geoquímicos que rigen la formación de los arcos insulares es fundamental para reconstruir la historia de la tectónica y los océanos de la Tierra. El estudio sugiere que los patrones observados hoy tienen profundas raíces y que las firmas de isótopos de estroncio de antiguos arcos de islas pueden proporcionar valiosas pistas sobre la evolución a largo plazo del planeta.
A continuación, Bednarick pretende examinar secuencias de rocas llamadas ofiolitas, que representan fragmentos de corteza oceánica alterada hidrotermalmente ahora preservada en los continentes, para comprender mejor la química del agua de mar de hace más de mil millones de años.
La investigación fue publicada el 18 de octubre en Proceedings of the National Academy of Sciences: Temporal covariation of island arc Sr isotopes and seawater chemistry over the past 2 billion years
