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Geología, Hidrología

El agua en las profundidades de la Tierra

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Cristal azul de Ringwoodita ~150 micrómetros de ancho. Microfotografía tomada en la Universidad de Hawaii de un ejemplar crecido en Bayreuth, Germany. Autor: Joseph Smyth. Imagen encabezado: El material azul ringwoodita. Steve Jacobsen, 2014.

La ringwoodita es un mineral fascinante que ha revolucionado nuestra comprensión del ciclo del agua en la Tierra. Como la fase mineral más común en la zona de transición del manto terrestre, entre 520 y 660 km de profundidad, este mineral no solo es un componente clave de la estructura interna del planeta, sino también un reservorio de agua atrapada en su estructura cristalina. Este descubrimiento, respaldado por investigaciones publicadas en 2014, sugiere la existencia de vastos volúmenes de agua en el interior de la Tierra, transformando nuestra visión de la composición del planeta y el ciclo hidrológico global.

La ringwoodita es la fase mineral más común en la zona de transición inferior del manto terrestre, a profundidades de 520 a 660 km. Este cristal de ringwoodita contiene cerca de 1% de agua. Si toda la ringwoodita del manto contiene esta cantidad de agua, se estima que en el manto hay casi tres veces la cantidad de agua que en todos los océanos juntos.

En la sección transversal del planeta Tierra, podemos identificar la zona de transición que separa el manto superior del inferior. Ahí mismo se forman los diamantes y junto con la ringwoodita —que atrapa a las moléculas de agua—, ambos minerales continúan su viaje hasta la superficie.

El primer descubrimiento en la Tierra de ringwoodita fue realizado por un equipo internacional encabezado por la Universidad de Alberta y podría indicar la presencia de grandes cantidades de agua entre 520 y 660 km de profundidad bajo la superficie terrestre.

Crédito: Universidad de Alberta. Fuente : phys.org.

El diamante encontrado  se originó a aproximadamente 520 km bajo la superficie terrestre, donde grandes masas de agua pueden acumularse por subducción de placas océanicas, con el avance y reciclamiento del suelo oceánico hacia la zona de transición del manto. Los resultados de estas investigaciones fueron publicados en 2014 por Pearson et al. (2014) en la revista Nature.

Características de la ringwoodita

La ringwoodita es una forma de alta presión del mineral olivino, con una composición química de silicato de magnesio y hierro (Mg₂SiO₄ o (Mg,Fe)₂SiO₄). Se forma en condiciones extremas de presión y temperatura en la zona de transición del manto, donde las placas tectónicas subducidas transportan materiales hacia el interior terrestre. Su estructura cristalina tipo espinela permite incorporar moléculas de agua (en forma de grupos hidroxilo, OH⁻) en defectos de su red, lo que la convierte en un mineral hidratado único. Estudios han demostrado que la ringwoodita puede contener entre 1% y 3% de su peso en agua, una cantidad significativa considerando su abundancia en el manto.

El descubrimiento de la ringwoodita terrestre

El primer indicio de la presencia de ringwoodita con agua en la Tierra provino de un descubrimiento fortuito liderado por un equipo internacional de la Universidad de Alberta en 2014. Los investigadores encontraron una inclusión de ringwoodita dentro de un diamante formado a unos 520 km de profundidad, traído a la superficie por procesos geológicos. Este diamante, originado en la zona de transición, contenía ringwoodita con aproximadamente 1.5% de agua en peso, confirmando que este mineral puede actuar como un reservorio de agua en el manto profundo. Los resultados, publicados en la revista Nature por Pearson et al. (2014), sugieren que grandes cantidades de agua podrían estar almacenadas entre 520 y 660 km bajo la superficie terrestre, posiblemente acumuladas por la subducción de placas oceánicas.

Implicaciones para el ciclo profundo del agua

El descubrimiento de la ringwoodita hidratada ha fortalecido la hipótesis de que el agua de los océanos, lagos y ríos de la Tierra tiene un origen parcialmente interno. A diferencia de otros planetas rocosos, donde el agua superficial pudo escapar al espacio, la Tierra ha retenido grandes cantidades de agua en su manto gracias a minerales como la ringwoodita. Se estima que, si toda la ringwoodita en la zona de transición contiene entre 1% y 3% de agua, el manto podría albergar entre tres y cinco veces el volumen de agua presente en todos los océanos superficiales combinados.

Este hallazgo implica que el ciclo hidrológico terrestre no se limita a la superficie y la atmósfera, sino que se extiende cientos de kilómetros bajo la corteza. El agua atrapada en la ringwoodita puede permanecer en el manto durante millones de años, participando en un ciclo profundo que involucra:

  1. Subducción: Las placas oceánicas hidratadas transportan agua hacia el manto al descender en las zonas de subducción.

  2. Almacenamiento: La ringwoodita y otros minerales hidratados, como la wadsleyita, retienen agua en la zona de transición.

  3. Liberación: Procesos magmáticos y el ascenso de diamantes pueden devolver agua a la superficie, completando el ciclo.

Este ciclo profundo tiene tiempos de residencia extremadamente largos, en escalas de millones de años, y juega un papel crucial en la regulación del agua disponible en la superficie terrestre a lo largo del tiempo geológico.

La zona de transición y los diamantes

En la sección transversal del planeta Tierra, la zona de transición, que separa el manto superior del inferior, es una región de alta presión donde se forman tanto la ringwoodita como los diamantes. Los diamantes actúan como cápsulas del tiempo geológicas, preservando inclusiones de ringwoodita y agua mientras son transportados a la superficie por erupciones volcánicas profundas, como las asociadas a kimberlitas. Estas inclusiones proporcionan una ventana directa al manto profundo, revelando las condiciones químicas y físicas de esta región inaccesible.

Corte transversal del planeta Tierra (Perason et al, 2014)
Corte transversal del planeta Tierra (Pearson et al, 2014). Crédito imagen: Kathy Mather.
Impacto en la comprensión de la Tierra

La presencia de agua en la ringwoodita no solo altera nuestra percepción de la composición del manto, sino que también tiene implicaciones para la dinámica del planeta. El agua almacenada en el manto puede influir en la viscosidad del material mantélico, afectando procesos como la convección y el movimiento de las placas tectónicas. Además, la existencia de estos reservorios profundos sugiere que la Tierra es un sistema hidrológico más complejo de lo que se pensaba, con agua circulando entre la superficie y el interior a lo largo de su historia geológica.

Investigaciones futuras

A pesar de los avances, aún quedan preguntas por responder. ¿Cómo varía la cantidad de agua en la ringwoodita a través del manto? ¿Qué otros minerales hidratados podrían contribuir al ciclo profundo del agua? Las investigaciones actuales buscan analizar más inclusiones en diamantes y realizar experimentos de alta presión en laboratorio para simular las condiciones del manto.

La ringwoodita, con su capacidad para almacenar moléculas de agua en el manto profundo, sugiere depósitos de proporciones colosales, aunque hay que especificar que no se encuentra en forma líquida (es decir, no son “océanos subterráneos”), sino  como millones de moléculas en inclusiones dentro de la estructura cristalina de unidades de ringwoodita hidratada (en forma de grupos -OH). Este mineral no solo es un testigo de los procesos geológicos extremos del interior terrestre, sino también una pieza clave en el rompecabezas del ciclo hidrológico global. A medida que la ciencia avanza, la ringwoodita continúa iluminando los misterios de nuestro planeta, recordándonos que incluso en las profundidades más inaccesibles, el agua —el elemento de la vida— está presente.

Química líquida: El agua en el planeta Tierra

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El agua en el planeta

El agua es el pilar de la vida en la Tierra, cubriendo aproximadamente el 71% de su superficie con un volumen total de 1,386 millones de kilómetros cúbicos. La hidrología, la ciencia que estudia el movimiento, distribución y calidad del agua, nos permite comprender cómo este recurso vital circula a través de la atmósfera, la superficie y el interior del planeta. Sin embargo, solo el 2.5% del agua terrestre es dulce, y menos del 1% está disponible para el consumo humano.

Los descubrimientos recientes sobre el origen del agua, su almacenamiento en el manto profundo y el ciclo profundo del agua han revolucionado nuestra comprensión de la hidrología, revelando un sistema global más complejo y dinámico de lo que se pensaba. Este artículo explora estos aspectos, destacando sus implicaciones para la disponibilidad del agua y la habitabilidad de nuestro planeta.

El agua en la Tierra no solo se encuentra en océanos, ríos y lagos, sino también en las profundidades del manto, almacenada en minerales como la ringwoodita. Crédito imagen: NASA.
Hidrología

La hidrología estudia las propiedades físicas, químicas y mecánicas del agua en el océano y otros cuerpos de agua continentales, su distribución y circulación en la superficie del planeta, en el suelo y en la atmósfera. Se encuentra estrechamente relacionada con al menos cuatro áreas básicas: física, química, biología y geología, además de limnología, meteorología y glaciología, lo que le confiere un sabor multidisciplinario único.

Esferas
Modificado de: Brian J. Skinner and Barbara W. Murck, 2011. The Blue Planet: An Introduction to Earth System Science. 3a Edición. John Wiley & Sons

Sin embargo, en nuestro planeta el océano y los sistemas acuáticos están integrados en uno solo, lo que cambia es la forma de estudiarlo y el tipo de procesos que deseamos comprender, así que este término no parece ser el más correcto. Si bien el enfoque analítico, de separar las partes de la realidad para estudiarla es muy útil, para la comprensión profunda de ésta es necesaria la síntesis, es decir, la reintegración de la información.

En contraste, el término “biogeoquímica acuática” hace referencia constante a los aspectos físicos, biológicos y geológicos que están inevitablemente asociados a los procesos químicos en los cuerpos de agua de la Tierra. Hace énfasis en los ciclos biogeoquímicos de los elementos. Además, engloba a todos los tipos de sistemas acuáticos distintos al océano que existen en nuestro planeta como ríos, lagos, embalses, cenotes, charcas, estuarios, fiordos, lagunas costeras, ríos subterráneos y humedales.

Una molécula de agua en el fondo del lago de Chapala puede eventualmente caer como lluvia en los Tuxtlas de Veracruz. Podría ser acarreada por el Río Papaloapan hasta el Golfo de México, donde posteriormente drenará en el Océano Atlántico y probablemente siga su camino hacia el norte, cerca de Islandia donde, tras evaporarse y precipitar en forma de nieve, se vuelva parte de un glaciar por miles de años. Otras moléculas, son arrastradas a grandes profundidades bajo la corteza terrestre, donde se mezclan con el magma y vuelven a salir en forma de vapor o dentro de inclusiones minerales tras una erupción volcánica. Una de esas moléculas puede ser arrastrada por el viento, para nuevamente precipitar -después de millones de años- en el lago de Chapala (si es que todavía existe, por supuesto, aunque seguramente se habría desplazado unos cuantos kilómetros).

El ciclo del agua en la superficie

La hidrología estudia el ciclo del agua, un proceso continuo que conecta océanos, atmósfera, tierra y organismos vivos. Este ciclo superficial incluye:

Evaporación: El agua de océanos, lagos y ríos se transforma en vapor y asciende a la atmósfera.

Precipitación: El vapor se condensa formando nubes, que liberan agua en forma de lluvia, nieve o granizo.

Escorrentía: El agua fluye sobre la superficie, alimentando ríos, lagos y océanos.

Infiltración: Parte del agua se filtra al suelo, recargando acuíferos subterráneos.

Estos procesos son impulsados por la energía solar y regulan la distribución del agua dulce, esencial para la agricultura, el consumo humano y los ecosistemas. Sin embargo, la hidrología no se limita a la superficie. Avances recientes han demostrado que el ciclo del agua se extiende al interior profundo de la Tierra, conectando la hidrología superficial con procesos geológicos.

El origen del agua en la Tierra

Una de las preguntas centrales de la hidrología es, ¿cuál es el origen del agua en la Tierra? ¿De dónde salió? Toda el agua actualmente presente sobre la superficie de la Tierra proviene de su interior (aunque hay discusión en esto, ya que se pensaba que provino de los cometas que han chocado con nuestro planeta y una mínima cantidad pudo provenir de esta fuente), la cual ha ido liberando progresivamente, desde su formación hace 4,600 millones de años. Aunque este proceso aún continúa, se calcula que el agua que formó los océanos y atmósfera actuales había salido ya desde hace 2,500 millones de años, y que la tasa de degasificación actual es mucho menor.

La diferencia con otros planetas, en cuanto al contenido de agua, se debería a que éstos no pudieron retenerla sobre su superficie y el agua escapó al espacio. Más recientemente, con el  descubrimiento de un diamante formado a 600 km de profundidad en la zona de transición del manto terrestre, que contiene una inclusión del mineral ringwoodita y varias moléculas de agua (este mineral puede contener entre 1-3% de agua en peso) se fortalece la hipótesis de que el agua de los lagos, ríos y océanos provino del interior. Si toda la ringwoodita del manto contiene esta cantidad de agua, se estima que en el manto hay casi cinco veces la cantidad de agua que en todos los océanos juntos. Esto implica también que el ciclo hidrológico penetra cientos de kilómetros bajo la superficie de la Tierra, con tiempos de residencia en profundidad en escala de millones de años.

El primer descubrimiento en la Tierra de ringwoodita fue realizado por un equipo internacional encabezado por la Universidad de Alberta  y podría indicar la presencia de grandes cantidades de agua entre 400 y 700 km de profundidad bajo la superficie terrestre.  Crédito: Universidad de Alberta. Fuente : phys.org
Hipótesis acerca del origen del agua

Hace 4,600 millones de años, la Tierra se formó en un entorno caliente y seco, donde el agua líquida no podía existir. Entonces, ¿de dónde proviene el agua que hoy sustenta la vida? Los científicos proponen dos fuentes principales:

  1. Aporte Externo: Durante el Bombardeo Intenso Tardío, hace unos 4,000 millones de años, cometas y asteroides ricos en agua colisionaron con la Tierra. Los cometas, con grandes cantidades de hielo, y los asteroides condríticos, que contienen minerales hidratados, liberaron agua al impactar. Análisis isotópicos (deuterio/hidrógeno) de meteoritos condríticos muestran similitudes con el agua terrestre, apoyando esta hipótesis.

  2. Origen Interno: Parte del agua pudo haber estado presente desde la formación del planeta, atrapada en minerales del manto. A través de la desgasificación volcánica, esta agua fue liberada a la superficie durante la formación de la corteza terrestre. Descubrimientos recientes, como el agua almacenada en la ringwoodita, sugieren que el manto profundo ha sido un reservorio clave desde los orígenes de la Tierra.

Es probable que una combinación de estas fuentes haya dotado a la Tierra de su agua, un fenómeno único que la distingue de planetas como Marte o Venus, donde el agua superficial es escasa debido a la pérdida al espacio o procesos geológicos.

El ciclo profundo del agua: una nueva frontera

La hidrología tradicional se centra en el ciclo superficial, pero investigaciones recientes han ampliado este concepto al ciclo profundo del agua, que opera en el manto terrestre a profundidades de 520 a 660 km, en la zona de transición. Aquí, minerales como la ringwoodita, una forma de alta presión del olivino, pueden almacenar hasta un 3% de su peso en agua en forma de grupos hidroxilo (OH⁻). Un estudio de 2014 publicado en Nature (Pearson et al.) encontró ringwoodita hidratada en un diamante formado en el manto, confirmando que el manto podría contener entre tres y cinco veces el volumen de agua de todos los océanos superficiales.

El ciclo profundo del agua involucra:

  1. Subducción: Las placas oceánicas hidratadas transportan agua al manto en zonas de subducción.

  2. Almacenamiento: Minerales como la ringwoodita y la wadsleyita retienen agua en la zona de transición durante millones de años.

  3. Liberación: Procesos magmáticos o el ascenso de diamantes devuelven pequeñas cantidades de agua a la superficie.

Este ciclo opera en escalas de tiempo geológicas, conectando la hidrología superficial con la geodinámica del manto. La presencia de agua en el manto influye en la viscosidad del material mantélico, afectando la convección y el movimiento de placas tectónicas, que a su vez moldean la superficie terrestre.

Implicaciones para el origen y disponibilidad de agua

A pesar de la abundancia aparente de agua, su disponibilidad es limitada:

  • 97.5% es agua salada en océanos, no apta para consumo directo sin desalinización.
  • 2.5% es agua dulce, distribuida así:
    • 68.7% en glaciares y casquetes polares, inaccesibles para uso inmediato.
    • 30.1% en acuíferos subterráneos, a menudo costosos de extraer.
    • 1.2% en aguas superficiales (ríos, lagos), de las cuales solo una fracción es accesible.

Esta escasez de agua dulce accesible, junto con el aumento de la demanda por el crecimiento poblacional, la agricultura intensiva y la industria, representa un desafío global. El cambio climático agrava la situación al alterar los patrones de precipitación, reducir la recarga de acuíferos y acelerar el derretimiento de glaciares, disminuyendo la disponibilidad de agua en regiones vulnerables.

El descubrimiento de agua en el manto, almacenada en minerales como la ringwoodita, revela que la Tierra posee reservorios mucho mayores de lo imaginado. Aunque esta agua profunda no es utilizable directamente, su existencia sugiere que la Tierra ha mantenido grandes cantidades de agua a lo largo de su historia, lo que ha sido crucial para su habitabilidad.

Los avances en la comprensión del ciclo profundo del agua y el papel de la ringwoodita tienen implicaciones profundas:

  • Origen del Agua: La existencia de agua en el manto apoya la idea de que una porción significativa del agua terrestre tiene un origen interno, complementando el aporte de cometas y asteroides. Esto sugiere que la Tierra pudo haber sido habitable desde sus primeras etapas, con agua disponible para la formación de océanos y la vida.

  • Disponibilidad a Largo Plazo: Aunque el agua del manto no es accesible para uso humano, su almacenamiento en minerales como la ringwoodita indica que la Tierra tiene una capacidad única para conservar agua a lo largo de miles de millones de años. Este reservorio profundo pudo haber amortiguado la pérdida de agua al espacio, asegurando la habitabilidad del planeta.

  • Hidrología Global: El ciclo profundo del agua amplía el alcance de la hidrología, integrando procesos superficiales y profundos en un sistema unificado. Esta conexión sugiere que fenómenos como el volcanismo, que libera agua del manto, han contribuido a la recarga de los océanos a lo largo del tiempo geológico.

  • Dinámica Planetaria: El agua en el manto influye en procesos geológicos clave, como la formación de continentes y la actividad tectónica, que han creado las condiciones para la vida. Comprender estos procesos ayuda a los hidrólogos a predecir cómo los cambios en el ciclo del agua, tanto superficial como profundo, podrían afectar el futuro del planeta.

Desafíos y futuras investigaciones

La hidrología enfrenta retos para integrar el ciclo profundo en los modelos globales del agua. Preguntas abiertas incluyen: ¿Cuánta agua está almacenada en el manto? ¿Cómo interactúan los ciclos superficial y profundo a lo largo del tiempo? ¿Qué otros minerales hidratados contribuyen al reservorio profundo? Los científicos están utilizando técnicas como la espectroscopia de inclusiones en diamantes, experimentos de alta presión y modelado geofísico para responder estas preguntas. Estos estudios no solo enriquecerán la hidrología, sino que también podrían ofrecer pistas sobre la presencia de agua en exoplanetas rocosos.

La hidrología revela que el agua de la Tierra es un recurso dinámico, circulando entre la superficie, la atmósfera y el manto profundo. Desde su origen en cometas, asteroides y la desgasificación primordial hasta su almacenamiento en minerales como la ringwoodita, el agua ha sido esencial para la habitabilidad del planeta. El ciclo profundo del agua amplía nuestra visión de la hidrología, mostrando un sistema global que conecta procesos geológicos con la vida. En un contexto de creciente escasez de agua dulce, comprender estos procesos es crucial para proteger este recurso vital y desentrañar los secretos de nuestro planeta azul.