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Detectan estructuras desconocidas entre el núcleo y el manto de la Tierra usando ondas sísmicas

Núcleo de la Tierra / foto Shutterstock

Un sorprendente nuevo descubrimiento ha revelado estructuras previamente desconocidas situadas en las profundidades del Océano Pacífico entre el núcleo y el manto de la Tierra. Todavía se desconoce su composición, pero los investigadores indican que su hallazgo ofrece la oportunidad de comprender mejor los intrincados procesos que han permitido que nuestro planeta evolucione y cambie con el tiempo.

Los geofísicos de la Universidad de Maryland analizaron miles de grabaciones de ondas sísmicas, ondas de sonido que viajan a través de la Tierra, para identificar ecos del límite entre el núcleo fundido de la Tierra y la capa de manto sólido que está encima de él. Los ecos revelaron estructuras más extendidas y heterogéneas -áreas de roca caliente inusualmente densa- que las conocidas hasta ahora en el límite entre el núcleo y el manto sólido.

Los científicos no están seguros de la composición de estas estructuras, y los estudios anteriores sólo han proporcionado una visión limitada de ellas. Una mejor comprensión de su forma y extensión puede ayudar a revelar los procesos geológicos que ocurren en las profundidades de la Tierra. Este conocimiento puede proporcionar pistas sobre el funcionamiento de la tectónica de placas y la evolución de nuestro planeta.

Los terremotos envían ondas de sonido a través de la Tierra. Los sismogramas registran los ecos a medida que esas ondas viajan a lo largo del límite entre el núcleo y el manto, difractando y doblándose alrededor de densas estructuras rocosas / foto Doyeon Kim – University of Maryland

La investigación proporciona la primera vista completa del límite entre el núcleo y el manto en una amplia zona con una resolución tan detallada. El estudio fue publicado en la edición del 12 de junio de 2020 de la revista Science.

Los investigadores se centraron en los ecos de las olas sísmicas que viajan por debajo de la cuenca del Océano Pacífico. Su análisis reveló una estructura previamente desconocida debajo de las Islas Marquesas en el Pacífico Sur y mostró que la estructura debajo de las Islas de Hawái es mucho más grande de lo que se conocía anteriormente.

Al observar miles de ecos de los límites del manto central a la vez, en lugar de centrarnos en unos pocos, como se suele hacer, hemos obtenido una perspectiva totalmente nueva, dijo Doyeon Kim, del Departamento de Geología de la Universidad de Marylan y autor principal del estudio. Esto nos está mostrando que la región límite entre el núcleo y el manto tiene muchas estructuras que pueden producir estos ecos, y eso era algo de lo que no nos dábamos cuenta antes porque sólo teníamos una visión estrecha.

La imagen muestra cómo las áreas de roca caliente y densa llamadas zonas de velocidad ultrabaja en lo profundo de la tierra se doblan y difractan las ondas sonoras producidas por los terremotos. En un nuevo análisis de las ondas difractadas registradas por los sismogramas, los geólogos de la UMD revelan una nueva ULVZ bajo Marquesas y una ULVZ más grande bajo Hawai que la conocida anteriormente / foto Doyeon Kim – University of Maryland

Los terremotos generan ondas sísmicas bajo la superficie de la Tierra que viajan miles de kilómetros. Cuando las ondas encuentran cambios en la densidad, temperatura o composición de la roca, cambian de velocidad, se doblan o se dispersan, produciendo ecos que pueden ser detectados. Los ecos de las estructuras cercanas llegan más rápidamente, mientras que los de las estructuras más grandes son más fuertes. Al medir el tiempo de viaje y la amplitud de estos ecos a medida que llegan a los sismógrafos en diferentes lugares, los científicos pueden desarrollar modelos de las propiedades físicas de la roca oculta bajo la superficie. Este proceso es similar a la forma en que los murciélagos usan la ecolocación para cartografiar su entorno.

Para este estudio, Kim y sus colegas buscaron los ecos generados por un tipo específico de onda, llamada onda S u onda de cizalla, a medida que viaja a lo largo del límite entre el núcleo y el manto. En un registro de un solo terremoto, conocido como sismograma, los ecos de las ondas de cizalla difractadas pueden ser difíciles de distinguir del ruido aleatorio. Pero mirando muchos sismogramas de muchos terremotos a la vez puede revelar similitudes y patrones que identifican los ecos ocultos en los datos.

Utilizando un algoritmo de aprendizaje automático, los investigadores analizaron 7.000 sismogramas de cientos de terremotos de magnitud 6,5 y mayores que ocurrieron alrededor de la cuenca del Océano Pacífico entre 1990 y 2018. El algoritmo descubrió un gran número de ecos de ondas de cizalla.

Este método nos permite ser capaces de detectar sistemáticamente los ecos sísmicos y obtener nuevos conocimientos sobre las estructuras en la base del manto, que han permanecido en gran medida enigmáticas, dijo Kim.

Los terremotos, vistos como estrellas amarillas en la imagen, envían ondas de sonido a través de la Tierra. Los sismogramas, vistos como triángulos azules, registran los ecos mientras esas ondas viajan a lo largo del límite entre el núcleo y el manto, difractando y doblándose alrededor de densas estructuras rocosas / foto Doyeon Kim – University of Maryland

El estudio reveló algunas sorpresas en la estructura del límite entre el núcleo y el manto. Encontramos ecos en alrededor del 40% de todas las trayectorias de ondas sísmicas, dijo Vedran Lekic, profesor asociado de geología en la Universidad de Maryland y coautor del estudio. Eso fue sorprendente porque esperábamos que fueran más raros, y lo que eso significa es que las estructuras anómalas en el límite entre el núcleo y el manto están mucho más extendidas de lo que se pensaba.

Los científicos descubrieron que la gran mancha de material muy denso y caliente en el límite entre el núcleo y el manto debajo de Hawái producía ecos excepcionalmente fuertes, lo que indica que es incluso mayor que las estimaciones anteriores. Conocidas como zonas de velocidad ultra baja (ULVZ), estas manchas se encuentran en las raíces de los penachos volcánicos, donde la roca caliente se eleva desde la región del límite entre el núcleo y el manto para producir islas volcánicas. La ULVZ debajo de Hawái es la más grande que se conoce.

Este estudio también encontró una ULVZ previamente desconocida debajo de las Islas Marquesas. Nos sorprendió encontrar un rasgo tan grande debajo de las Islas Marquesas que ni siquiera sabíamos que existía antes, dijo Lekic, esto es realmente emocionante, porque muestra cómo el algoritmo del secuenciador puede ayudarnos a contextualizar los datos de los sismogramas en todo el mundo de una manera que no podíamos antes.


Fuentes: University of Maryland / D.Kim, V.Lekic, B.Ménard, D.Baron, M.Taghizadeh-Popp, Sequencing seismograms: A panoptic view of scattering in the core-mantle boundary region, Science 12 Jun 2020: Vol. 368, Issue 6496, pp. 1223-1228, DOI: 10.1126/science.aba8972.