14 de marzo de 2018
14.03.2018

Científicos descubren que las imágenes sísmicas son ciegas al agua

Las ondas sísmicas pueden dar a los científicos una forma de mapear las estructuras interiores de la Tierra

14.03.2018 | 20:08

Cuando ocurre un terremoto, los sismómetros cercanos recogen sus vibraciones en forma de ondas sísmicas. Además de revelar el epicentro de un terremoto, las ondas sísmicas pueden dar a los científicos una forma de mapear las estructuras interiores de la Tierra, al igual que una tomografía computarizada aporta imágenes del cuerpo.

Al medir la velocidad a la cual las ondas sísmicas viajan a varias profundidades, los investigadores pueden determinar los tipos de rocas y otros materiales que se encuentran debajo de la superficie de la Tierra. La precisión de tales mapas sísmicos depende de la comprensión de los científicos de cómo varios materiales afectan a las velocidades de las ondas sísmicas.

Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de la Universidad Nacional de Australia han descubierto que las ondas sísmicas son esencialmente ciegas a una sustancia muy común que se encuentra en todo el interior de la Tierra: el agua.

Sus hallazgos, publicados este miércoles en la revista 'Nature', van en contra de la suposición general de que las imágenes sísmicas pueden captar señales de agua en las profundidades del manto superior de la Tierra. De hecho, el equipo descubrió que incluso pequeñas cantidades de agua no tienen ningún efecto sobre la velocidad a la que viajan las ondas sísmicas.

Los resultados pueden ayudar a los científicos a reinterpretar los mapas sísmicos del interior de la Tierra. Por ejemplo, en lugares como dorsales mioceánicas, el magma de las profundidades de la Tierra entra en erupción a través de grietas masivas en el lecho marino, separándose de la cresta y eventualmente solidificándose como una nueva corteza oceánica.

El proceso de fusión a decenas de kilómetros por debajo de la superficie elimina pequeñas cantidades de agua que se encuentran en las rocas a mayor profundidad. Los científicos han pensado que las imágenes sísmicas mostraron esta transición "húmeda-seca", que corresponde a la transición de las placas tectónicas rígidas al manto deformable que se encuentra debajo. Sin embargo, estos hallazgos sugieren que las imágenes sísmicas pueden estar captando señales de no agua, sino más bien de fusión, pequeñas bolsas de roca fundida.

"Si vemos variaciones muy fuertes ñen las velocidades sísmicasí, es más probable que se deban a la fusión --dice Ulrich Faul, investigador del Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias del MIT--. El agua, basada en estos experimentos, ya no es un jugador importante en ese sentido. Esto cambiará la forma en que interpretamos las imágenes del interior de la Tierra".

Los coautores de Faul son el autor principal Christopher Cline, junto con Emmanuel David, Andrew Berry e Ian Jackson, de la Universidad Nacional de Australia. Faul, Cline y sus colegas originalmente se propusieron determinar exactamente cómo afecta el agua a las velocidades de las ondas sísmicas. Supusieron, como lo han hecho la mayoría de los investigadores, que las imágenes sísmicas pueden "ver" el agua, en forma de grupos hidroxilo dentro de granos minerales individuales en las rocas, y como bolsas de agua a escala molecular atrapadas entre estos granos.

Se sabe que el agua, incluso en pequeñas cantidades, debilita las rocas en el interior de la Tierra. "Se sabía que el agua tiene un fuerte efecto en muy pequeñas cantidades sobre las propiedades de las rocas --dice Faul--. A partir de ahí, la inferencia fue que el agua también afecta sustancialmente a las velocidades de las ondas sísmicas".

Para medir el grado en que el agua afecta a las velocidades de las ondas sísmicas, el equipo produjo diferentes muestras de olivino, un mineral que constituye la mayor parte del manto superior de la Tierra y determina sus propiedades. Atraparon varias cantidades de agua dentro de cada muestra, y luego colocaron las muestras una a la vez en una máquina diseñada para girar lentamente una roca, de forma similar a torcer una goma elástica. Los experimentos se realizaron en un horno a altas presiones y temperaturas, con el fin de simular las condiciones en las profundidades de la Tierra.

"Giramos la muestra en un extremo y medimos la magnitud y el tiempo de demora de la tensión resultante en el otro extremo --dice Faul--. Esto simula la propagación de ondas sísmicas a través de la Tierra. La magnitud de esta tensión es similar al ancho de un cabello humano delgado, no muy fácil de medir a una presión de 2.000 veces la presión atmosférica y una temperatura que se aproxima a la temperatura de fusión del acero".

El equipo esperaba encontrar una correlación entre la cantidad de agua en una muestra dada y la velocidad a la cual las ondas sísmicas se propagarían a través de esa muestra. Cuando las muestras iniciales no mostraron el comportamiento anticipado, los investigadores modificaron la composición y midieron nuevamente, pero siguieron obteniendo el mismo resultado negativo. Eventualmente, se volvió inevitable que la hipótesis original fuera incorrecta.

"A partir de nuestras medidas ñde torsióní, las rocas se comportaron como si estuvieran secas, aunque pudimos analizar claramente el agua allí -dice Faul-. En ese punto, sabíamos que el agua no marca una diferencia".

Otro resultado inesperado de los experimentos fue que la velocidad de las ondas sísmicas parecía depender del estado de oxidación de una roca. Todas las rocas de la Tierra contienen ciertas cantidades de hierro, en diversos estados de oxidación, como hierro metálico en un automóvil. Los investigadores descubrieron, casi involuntariamente, que la oxidación del hierro en olivino afecta a la forma en que las ondas sísmicas viajan a través de la roca.

Cline y Faul llegaron a esta conclusión después de tener que reconfigurar su configuración experimental. Para llevar a cabo sus experimentos, el equipo normalmente recubre cada muestra de roca en un cilindro hecho de níquel y hierro; pero, al medir el contenido de agua de cada muestra en este cilindro, descubrió que los átomos de hidrógeno en el agua tendían a escapar de la roca, la carcasa de metal.

Para contener el hidrógeno, cambiaron su caparazón por uno hecho de platino. Para su sorpresa, encontraron que el tipo de metal que rodeaba las muestras afectaba a sus propiedades sísmicas. Experimentos separados mostraron que lo que de hecho cambió fue la cantidad de Fe3 + en olivino.

Normalmente, el estado de oxidación del hierro en olivino es 2+. Al parecer, la presencia de Fe3 + produce imperfecciones que afectan a las velocidades de las ondas sísmicas. Faul dice que los hallazgos del equipo sugieren que las ondas sísmicas pueden usarse para mapear los niveles de oxidación, como en las zonas de subducción, regiones de la Tierra donde las placas oceánicas se hunden abajo en el manto.

Sin embargo, en función de sus resultados, no pueden utilizarse las imágenes sísmicas para obtener imágenes de la distribución del agua en el interior de la Tierra. Lo que algunos científicos interpretaron como agua puede, de hecho, derretirse, una idea que puede cambiar nuestra comprensión de cómo la Tierra altera sus placas tectónicas con el tiempo.

"Una pregunta subyacente es qué lubrica las placas tectónicas en la Tierra --plantea Faul--. Nuestro trabajo apunta a la importancia de pequeñas cantidades de masa fundida en la base de las placas tectónicas, en lugar de un manto húmedo debajo de las placas secas. En general, estos resultados pueden ayudar a iluminar el ciclo volátil entre el interior y la superficie de la Tierra".

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