Científicos descubren un reservorio oculto de oxígeno en el interior de la Tierra

Científicos descubrieron que el magma, ubicado a grandes profundidades en la Tierra, puede almacenar cantidades sorprendentes de oxígeno, lo que podría revelar un contribuyente oculto a la atmósfera rica en oxígeno de nuestro planeta. Este hallazgo sugiere que erupciones volcánicas antiguas pudieron haber transformado la atmósfera de la Tierra hace miles de millones de años, con implicaciones para comprender la vida en otros planetas.

Mediante experimentos a alta presión y simulaciones computacionales avanzadas, los investigadores encontraron que el magma puede absorber oxígeno adicional más allá de la cantidad normalmente requerida por su composición química. Este oxígeno oculto podría proporcionar una conexión no reconocida entre el interior profundo de la Tierra, la actividad volcánica y el desarrollo de una atmósfera rica en oxígeno.

El estudio fue liderado por Dr. Yanhao Lin y Dr. Ho-kwang Mao del Centro de Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR), en colaboración con el Prof. Haiyang Niu de la Universidad Politécnica del Noroeste y el Prof. Wim van Westrenen de la Vrije Universiteit Amsterdam. Sus hallazgos fueron publicados en la revista National Science Review.

Desafiando supuestos tradicionales sobre el magma

El oxígeno es uno de los elementos más abundantes en el interior de la Tierra, representando más de la mitad de los átomos en la parte silicatada del planeta. Sin embargo, los científicos han asumido tradicionalmente que el magma solo puede contener una cantidad específica de oxígeno, determinada por las cantidades y los estados de carga eléctrica de otros elementos en la roca fundida, como el silicio, el magnesio y el hierro.

El agua y el dióxido de carbono se comportan de manera diferente, ya que pueden disolverse en el magma y luego escapar como gases cuando disminuye la presión circundante. Sin embargo, el oxígeno no ha sido tratado generalmente como una sustancia volátil que el magma puede absorber y liberar. La posibilidad de que la roca silicatada fundida pudiera contener oxígeno adicional, independientemente de su composición química ordinaria, había permanecido en gran medida inexplorada.

El nuevo estudio sugiere que esta suposición podría necesitar un cambio.

Condiciones extremas revelan oxígeno oculto en la roca fundida

Para investigar, los científicos recrearon las condiciones que se encuentran en las profundidades de la Tierra utilizando equipos de laboratorio capaces de generar presiones y temperaturas extraordinarias. Calentaron una versión sintética de basalto de dorsal oceánica, un tipo de roca volcánica comúnmente producida donde las placas tectónicas se separan bajo los océanos. Las muestras se expusieron a presiones que oscilaban desde la presión atmosférica normal hasta 7 gigapascales y temperaturas entre 1200 y 1800 °C.

Una presión de 7 gigapascales es aproximadamente 69,000 veces la presión atmosférica en la superficie de la Tierra. El equipo utilizó prensas especializadas para mantener estas condiciones extremas y agregó óxido de platino (PtO2) para establecer un ambiente rico en oxígeno y probar cuánto oxígeno adicional podía absorber la roca fundida.

Después de los experimentos, los investigadores enfriaron rápidamente el material fundido, produciendo vidrio que preservó características importantes del fundido. Luego analizaron su composición elemental y midieron las cantidades de agua y dióxido de carbono presentes. Al calcular cuánto oxígeno era necesario para equilibrar los otros elementos, junto con el oxígeno ya contenido en el agua y el dióxido de carbono, los científicos pudieron estimar cuánto quedaba sin contabilizar. Llamaron a esta cantidad adicional "oxígeno en exceso".

Los resultados revelaron una relación notable entre la presión y el almacenamiento de oxígeno. A presión atmosférica normal, el vidrio contenía casi ningún oxígeno en exceso. Sin embargo, a 7 gigapascales, el oxígeno en exceso representaba más del 5% del peso de la muestra.

Los investigadores también querían determinar si el oxígeno adicional se incorporaba realmente al material o simplemente quedaba atrapado como burbujas de gas diminutas. Utilizando espectroscopia Raman, una técnica que identifica sustancias mediante la interacción con la luz, no encontraron ninguna firma detectable de gas oxígeno en el vidrio. Esto indicó que el oxígeno en exceso se había convertido en parte de la estructura del vidrio en lugar de acumularse en burbujas.

Las concentraciones medidas pueden incluso subestimar la capacidad real de almacenamiento de oxígeno del magma, ya que parte del oxígeno podría haberse escapado mientras las muestras fundidas se enfriaban.

Simulaciones computacionales revelan cómo el magma almacena oxígeno adicional

Para comprender mejor el descubrimiento a nivel atómico, el Prof. Niu lideró una serie de simulaciones computacionales teóricas. Los investigadores utilizaron modelos de redes neuronales profundas (DNN) para simular interacciones entre átomos con una precisión cercana a la de los cálculos ab initio, que describen el comportamiento atómico utilizando principios fundamentales de la mecánica cuántica. Las simulaciones mostraron que el oxígeno adicional podría disolverse en el material fundido hasta que el sistema alcanzara el equilibrio.

Aunque los modelos computacionales utilizaron un sistema simplificado que contenía solo magnesio, silicio y oxígeno, reprodujeron el mismo patrón general observado en el laboratorio: la capacidad del magma para retener oxígeno en exceso aumentaba con la presión.

Los cálculos también revelaron cambios en el comportamiento de los átomos de oxígeno a medida que ingresaba más oxígeno al fundido. Sus cargas eléctricas se volvieron más variadas y una pequeña proporción formó enlaces similares a peróxido, en los que los átomos de oxígeno se unen entre sí. Estos cambios ayudan a explicar cómo la roca fundida podría acomodar oxígeno más allá de la cantidad predicha por modelos químicos convencionales.

Importante es que el comportamiento dependiente de la presión se asemeja al del agua y el dióxido de carbono, que también se vuelven más solubles en el magma a medida que aumenta la presión. Basado en estos hallazgos, los investigadores proponen que el oxígeno debería ser reconocido como un componente independiente de los fundidos silicatados.

¿Pudieron los volcanes antiguos ayudar a oxigenar la atmósfera de la Tierra?

El descubrimiento plantea una pregunta mucho más amplia sobre la historia de la Tierra: ¿pudo el magma haber transportado cantidades significativas de oxígeno desde el interior del planeta hacia su superficie? Los investigadores sugieren un posible mecanismo que involucra magma generado en regiones oxidadas del manto terrestre. Bajo las inmensas presiones en el subsuelo, este magma podría absorber cantidades sustanciales de oxígeno en exceso. A medida que se mueve hacia arriba, la presión circundante disminuye, reduciendo la cantidad de oxígeno que la roca fundida puede retener. Parte de ese oxígeno podría luego liberarse, contribuyendo potencialmente a reacciones químicas que aumentan la oxidación del manto superior, la corteza terrestre y, eventualmente, la atmósfera.

Esta propuesta puede ayudar a explicar una intrigante coincidencia en el pasado geológico de la Tierra. Entre aproximadamente 2.5 mil millones y 2.0 mil millones de años atrás, los niveles de oxígeno atmosférico experimentaron aumentos importantes. Este intervalo se superpone con la formación de algunas de las provincias ígneas grandes de la Tierra, enormes regiones de roca volcánica creadas por grandes erupciones de magma.

Los investigadores sugieren que el oxígeno liberado por estos antiguos sistemas volcánicos podría haber contribuido a los cambios en la composición atmosférica. Su cálculo preliminar destaca la escala potencialmente enorme del proceso, estimando que si el magma erupcionado durante este período liberó oxígeno en exceso igual a solo el 0.27% de su peso, la cantidad total podría teóricamente igualar todo el oxígeno presente en la atmósfera de la Tierra hoy en día.

Esto no establece que la actividad volcánica realmente suministrara tanto oxígeno atmosférico, sino que ilustra cómo incluso una liberación relativamente pequeña de oxígeno de cantidades inmensas de magma podría tener consecuencias planetarias importantes.

Una nueva pista sobre la evolución de la Tierra y los planetas habitables

Los hallazgos podrían influir en varias áreas importantes de la ciencia planetaria. Podrían cambiar la forma en que los científicos entienden los océanos de magma antiguos, vastas regiones de roca fundida que se cree que existieron durante la evolución temprana de la Tierra y otros planetas rocosos. También introducen un nuevo factor en el desgasificado volcánico, el proceso mediante el cual los gases y otras sustancias volátiles escapan de la roca fundida e interactúan con la atmósfera de un planeta.

Si el magma puede almacenar y liberar oxígeno independientemente de sus otros componentes químicos, los modelos del desarrollo atmosférico de la Tierra podrían necesitar tener en cuenta este proceso previamente pasado por alto. Las implicaciones podrían extenderse más allá de la Tierra. Comprender cómo se mueve el oxígeno entre los interiores y las atmósferas de los planetas rocosos podría ayudar a los investigadores a investigar las condiciones que permiten que se desarrollen y persistan entornos potencialmente habitables durante miles de millones de años.

Aunque se necesita más investigación para establecer cuánta cantidad de oxígeno llevan los magmas naturales y cuánto llega a la atmósfera, el descubrimiento apunta a una posibilidad sorprendente: algunos de los procesos que ayudaron a dar forma al entorno rico en oxígeno de la Tierra pueden haber tenido su origen muy por debajo de la superficie del planeta.

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