La mayoría de la gente sabe que los océanos cubren alrededor del 70 por ciento de la superficie de la Tierra. Menos gente se da cuenta de que la corteza bajo los océanos y los continentes es fundamentalmente diferente. El porqué de esto sigue siendo un misterio que los científicos aún tratan de resolver.
La corteza oceánica está compuesta generalmente por rocas de color oscuro llamadas basalto y gabro. Es más fina y densa que la corteza continental, que está formada por rocas de color claro llamadas andesita y granito. La baja densidad de la corteza continental hace que «flote» en lo alto del manto viscoso, formando tierra firme. Por el contrario, la densa corteza oceánica no «flota» tan alto formando cuencas oceánicas más bajas. A medida que la corteza oceánica se enfría, se vuelve más densa y acaba hundiéndose en el manto por su propio peso después de unos 200 millones de años.
La corteza continental de la Tierra, en cambio, tiene hasta 4.000 millones de años, y se cree que es el producto de procesos de reciclaje geológico mucho más complicados que los que crean la corteza oceánica. Si somos capaces de descifrar y leer la historia relativamente sencilla de cómo se forma la corteza oceánica, es posible que algún día podamos descifrar el registro más complejo de cómo se desarrollaron los continentes.
Sondeo de la estructura del fondo marino
Debido a que la mayor parte de la corteza oceánica está oculta a la vista bajo muchos kilómetros de agua, nuestra investigación debe llevarse a cabo «a distancia», a menudo utilizando técnicas acústicas. El sonido -procedente de un terremoto, una explosión o una fuente relativamente benigna conocida como cañón de aire- se desplaza a través de diferentes rocas a distintas velocidades. Los geofísicos deducen la estructura geológica básica de las rocas subyacentes midiendo el tiempo que tarda el sonido en viajar desde una fuente hasta muchos receptores diferentes, o desde muchas fuentes hasta un único receptor.
En los océanos, esta técnica ha permitido obtener una imagen sencilla de una corteza basáltica estratificada de unos 7 kilómetros de espesor, subyacente al manto. Las muestras de rocas obtenidas mediante dragado, operaciones sumergibles y perforaciones confirman que la parte superior de la corteza oceánica, donde no está oculta por los sedimentos, está compuesta por lava basáltica que se origina en el manto.
En los albores de la teoría moderna de la tectónica de placas, en la década de 1960, los geólogos y geofísicos se dieron cuenta de que toda la corteza oceánica se creó a partir de lava basáltica a lo largo de cadenas lineales de volcanes del fondo marino conocidas como dorsales o cordilleras oceánicas. La propagación del fondo marino arrastra la corteza oceánica más antigua fuera de las dorsales durante decenas de millones de años, hasta que se enfría, se vuelve más densa y «cae» de nuevo en el manto en áreas conocidas como zonas de subducción.
Pistas del fondo marino en el desierto
En algunos lugares de la Tierra, bloques de corteza oceánica, llamados «ofiolitos», han sido empujados, relativamente intactos, hacia los continentes durante las colisiones entre placas tectónicas. La inclinación y posterior erosión permiten a los científicos recorrer una sección que en su día se extendía 25 kilómetros (15 millas) hacia el interior de la Tierra. El mayor y mejor expuesto de ellos, el ofiolito de Omán, cerca del Golfo Pérsico, comprende una decena de bloques que, en conjunto, cubren aproximadamente la misma superficie que Massachusetts.
La gran extensión de estos ofiolitos, que en su día se encontraban en las profundidades del fondo marino pero que ahora han quedado al descubierto, proporciona una visión completa de la geometría interna de las placas oceánicas que no tiene parangón con ninguna técnica de muestreo o de obtención de imágenes en el mar. Al igual que los fragmentos de olla cubiertos de jeroglíficos, los ofiolitos abren una ventana a un mundo antiguo, en gran parte desaparecido, y proporcionan una vía poco común para la investigación sistemática.
A finales de los años 60 y principios de los 70, los geólogos y geofísicos observaron similitudes entre la estructura de capas de la corteza oceánica, interpretada a partir de las velocidades del sonido, y la estratificación en los ofiolitos. Una fina capa superior en la corteza oceánica (con bajas velocidades de sonido) corresponde a una capa de sedimentos y flujos de lava en los ofiolitos. Una capa más profunda (con velocidades de sonido más rápidas) corresponde a una capa de «gabro» de los ofiolitos, que se formó cuando el basalto fundido se solidificó bajo la superficie de la Tierra. Tanto en la corteza oceánica como en las ofiolitas, la capa de gabro está subyacente al manto, que se extiende miles de kilómetros hasta el núcleo de la Tierra.
Una característica llamativa de las ofiolitas bien expuestas es una capa continua de «diques laminares», que se encuentra entre la lava y el gabro. Se trata de formaciones rocosas tabulares, de aproximadamente un metro de ancho, creadas por explosiones periódicas de roca fundida. Los diques se sitúan uno al lado del otro, como soldados en formación, cada dique adyacente a los diques vecinos, o a veces inclinándose o intruyendo en ellos.
Este patrón estructural recurrente se produce porque toda la corteza oceánica se crea de nuevo en las dorsales oceánicas en expansión en una especie de cinta transportadora continua: Cada dique, en una visión simple, se forma directamente en el centro de una dorsal. A continuación, se extiende desde el centro de la dorsal, mientras que otro dique se forma detrás de él, en un proceso continuo que crea la capa continua que se observa en los ofiolitos. No ocurre nada parecido en la corteza continental, donde los nuevos diques intruyen de forma más aleatoria la roca más antigua.
Siguiendo la corriente
Durante las décadas de 1970 y 1980, geofísicos y geólogos se esforzaron por comprender cómo se forma la lava basáltica bajo las dorsales. Se planteó la teoría de que, dado que las placas oceánicas se separan en la superficie, debe surgir nuevo material para rellenar el hueco. A medida que el material asciende, la presión que ayuda a mantenerlo sólido disminuye. Esto permite que las rocas calientes del manto se fundan parcialmente y produzcan líquido basáltico. Este llamado «fundido» es menos denso que los sólidos circundantes, por lo que asciende flotantemente a la superficie para formar la corteza.
Sin embargo, esta teoría plantea tantas preguntas como respuestas. A partir de las composiciones de lava, sabemos que de un enorme volumen de roca del manto, sólo pequeñas cantidades de roca se funden parcialmente para crear la corteza oceánica. La fusión se forma en poros de tamaño micrométrico a lo largo de los límites de innumerables granos de cristal a lo largo de una región del manto que tiene entre 100 y 200 kilómetros de ancho y 100 kilómetros de profundidad. Sin embargo, a partir de esta vasta región, el fundido se concentra de algún modo en una zona de 5 kilómetros de ancho en la dorsal de extensión. ¿Cómo se canaliza la lava desde los diminutos poros de una amplia región de fusión hasta una estrecha región donde se forma la nueva corteza oceánica coronada por enormes flujos de lava?
Mis colegas en la exploración de este misterio, trabajando en varias combinaciones, han incluido a Greg Hirth, Nobu Shimizu y Jack Whitehead en la Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI), Marc Spiegelman del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty, los geólogos franceses Adolphe Nicolas y Françoise Boudier, el estudiante de posgrado del Instituto Tecnológico de Massachusetts Vincent Salters, y los estudiantes del Programa Conjunto MIT/WHOI Einat Aharonov, Mike Braun, Ken Koga y Jun Kornaga. Nuestra investigación ha sido financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos, el programa WHOI Interdisciplinary and Independent Study Award y la Cátedra Adams del WHOI.
Hemos demostrado que el deshielo viaja a través del manto en canales porosos, similares a los canales llenos de grava que proporcionan vías permeables a través del suelo rico en arcilla. La fusión que asciende por el manto caliente puede disolver parcialmente los minerales que los rodean y ampliar gradualmente los poros a lo largo de los límites entre los granos de cristal individuales. Esto, a su vez, crea una vía favorable a través de la cual puede fluir más fundido, en un bucle de retroalimentación positiva que crea espontáneamente canales que concentran el flujo.
Los pequeños canales formados de esta manera se unen para formar canales más grandes, en una red análoga a un sistema de drenaje fluvial. El número y tamaño de los canales de flujo de fundido que observamos en la sección del manto de los ofiolitos apoya estas teorías.
Lentes de fundido y estallidos periódicos
Surgieron nuevas preguntas. Si el fundido fluye a través del manto en poros de escala micrométrica a lo largo de los límites de los granos de cristal, ¿dónde se acumula para formar flujos de lava masivos en las crestas de propagación? Y, si el flujo poroso es un proceso continuo y gradual, ¿qué causa las explosiones periódicas de roca fundida que crean nuevos diques?
Una vez más, el ofiolito de Omán proporcionó pistas. Incrustados en las rocas más superficiales del manto, Nicolas y Boudier encontraron pequeñas formaciones de gabro, llamadas sills. Los análisis químicos de estos filones indicaron que cristalizaron a partir del mismo fundido que formó el gabro, los diques laminares y las coladas de lava en la corteza. Además, el gabro, los diques y las coladas de lava tenían un patrón idéntico y distintivo de bandas alternas de minerales oscuros y claros.
Nos pareció que toda la capa de gabro de la corteza de la ohiolita de Omán, desde el manto superior hasta la superficie, podría haberse formado cuando el material fundido se acumuló periódicamente en charcos relativamente pequeños que posteriormente cristalizaron en «lentes de fundido» sólidos. Con el paso del tiempo, se acumularon una miríada de estas lentes de fusión -incorporadas unas dentro de otras y apiladas una encima de otra o una al lado de la otra- para producir el tejido rocoso y bandeado del gabro.
Los poros obstruidos aumentan la presión
¿Por qué aparecerían primero las lentes de fusión en el manto superior, inmediatamente por debajo de la base de la corteza? Proponemos que estas lentes se forman cuando el fundido, al acercarse al fondo marino, comienza a enfriarse. El fundido que asciende por el manto caliente puede disolver los minerales que lo rodean para crear espacios de poros, pero el fundido que se enfría empezará a cristalizar y a obstruir los poros.
Son posibles dos escenarios: Cuando el suministro de fundido desde abajo es bajo, los conductos se vuelven más estrechos. El fundido es forzado hacia fuera alrededor de las barreras impermeables, migrando a través de un flujo poroso difuso a lo largo de los límites de los granos de cristal a través de la roca circundante.
Pero cuando el suministro de fundido es grande, como ocurre inmediatamente debajo de una cresta de propagación, el fundido flotante se acumula debajo de las barreras impermeables y crea un exceso de presión. Finalmente, el fundido atraviesa las barreras y crea una fractura llena de fundido que penetra en la corteza subyacente. Si la fractura se propagara lo suficientemente alto en la corteza, formaría un dique laminar, y si llegara aún más alto, se derramaría sobre el fondo marino y alimentaría un flujo de lava.
En este ciclo de acumulación y liberación, los minerales se cristalizan y funden alternativamente en condiciones de mayor y menor presión. A una presión relativamente alta, se forma mucha menos cantidad de mineral de color claro (plagioclasa), en comparación con los minerales de color más oscuro. A menor presión, la proporción de plagioclasa es mayor. Por lo tanto, los cambios periódicos de presión dan lugar a las bandas claras y oscuras que se observan en los gabros ofiolíticos.
Las vías de mayor resistencia
Trabajando a partir de la evidencia geológica en los ofiolíticos, junto con la teoría física y química, planteamos la hipótesis de que hay dos formas distintas de transportar el fundido que forma la corteza oceánica. Dentro de la región de fusión en el manto, el fundido puede disolver los minerales y crear un espacio de poros adicional. Como resultado, los conductos continuos de alta porosidad forman una red de drenaje coalescente que concentra el transporte de fundido hacia la cresta de extensión.
A niveles poco profundos bajo la cresta, el fundido que se enfría comienza a cristalizar, obstruyendo el espacio de los poros a lo largo de los límites de los granos de cristal. Como resultado, el flujo se vuelve difuso y el fundido se acumula bajo barreras impermeables. La presión aumenta hasta que el fundido estalla periódicamente a través de las barreras suprayacentes, y las fracturas llenas de fundido se inyectan en las rocas suprayacentes para alimentar diques y flujos de lava. En conjunto, estos procesos forman un sistema altamente organizado que produce constantemente nueva corteza oceánica con una estructura regular a lo largo de las dorsales de extensión.
En nuestra investigación en curso, estamos probando con mayor rigor las teorías sobre cómo se forman los conductos porosos en el manto. Intentamos comprender con más detalle cómo se forman los lentes de fusión bajo las dorsales de extensión. Y queremos averiguar los factores que determinan por qué y cuándo se producen los eventos de diques y erupciones.
Explorando un patrón universal de flujo de fluidos
Existen paralelos intrigantes entre los mecanismos que conducen a la creación de fondos marinos y a la erosión en la superficie de la Tierra.
Considere el agua que fluye sobre una superficie arenosa. Cuando la pendiente es lo suficientemente pronunciada (pero no demasiado), el agua comienza a mover los granos de arena hacia abajo y a formar canales. A medida que los canales crecen, el agua fluye más rápido, lo que lleva a una erosión más vigorosa de la arena en el borde delantero del flujo. Un proceso análogo ocurre bajo el lecho marino, ya que el deshielo ascendente y caliente disuelve los minerales de las rocas para formar canales porosos.
Cuando la pendiente disminuye aguas abajo en un sistema erosivo, el agua comienza a depositar los granos de arena que llevaba en suspensión. Los granos depositados comienzan a construir barreras que bloquean el flujo y lo obligan a desviarse del canal principal. El agua se acumula detrás de estas barreras para formar lagos temporales. Estos lagos desbordan periódicamente el antiguo canal y crean nuevas vías transitorias, que a su vez se obstruyen y abandonan. Se forma un delta o abanico aluvial.
Procesos análogos ocurren bajo el fondo marino a medida que el deshielo ascendente se enfría, precipita cristales que bloquean los espacios de los poros, hace que el flujo sea divergente y se acumule, y periódicamente irrumpe a través de barreras impermeables para formar diques y fracturas.
Optimización del flujo de fluidos
¿Qué hay detrás de estas aparentes similitudes fundamentales entre el transporte de fluidos durante la erosión en la superficie de la Tierra y el transporte de fundidos en el manto?
Básicamente, donde la energía está disponible para que el fluido cree nuevas vías -a través de la erosión física o la disolución química- las redes de drenaje evolucionan desde un flujo relativamente ineficiente, de movimiento lento y difuso hasta un flujo más rápido, concentrado y constante en canales bien definidos. Cuando se pierde energía -por la disminución del ángulo de la pendiente en la erosión o por la disminución de la temperatura del deshielo- la red de drenaje se vuelve ineficiente y desorganizada, con rápidos cambios en la velocidad y la ubicación del flujo.
Los científicos que trabajan en la evolución de los sistemas de drenaje de los ríos proponen que la erosión tiende a producir una red de drenaje «óptima» que maximiza la velocidad del flujo y minimiza la pérdida de energía por fricción. Se trata de una idea intrigante, que ofrece la visión de una teoría sistemática y «termodinámica» de la morfología del drenaje. (También es una teoría controvertida, ya que los drenajes fluviales heredan gran parte de su complicada estructura de la historia geológica previa de una cuenca hidrográfica.)
Es difícil utilizar los ofiolitos para explorar una teoría termodinámica de la morfología del drenaje para los mecanismos de transporte del manto fundido, porque los ofiolitos constituyen un sistema «congelado». Así que empecé a buscar en otra parte un sistema activo de transporte de fluidos que desarrollara canales dentro de un patrón de flujo inicialmente difuso.
Finalmente, me di cuenta de que los canales erosivos se forman dos veces al día cuando la marea baja en las playas de todo Cape Cod. Con cautela, Dan Rothman, geofísico del MIT, y yo estamos aprendiendo sobre la erosión de las playas y haciendo observaciones sobre la formación de canales. Esperamos determinar si la red de canales en evolución se aproxima gradualmente a una geometría «óptima» que permita que el agua fluya sobre la superficie de la playa con una mínima pérdida de energía por fricción.